Kapcsolófeszültség-stabilizátor ( kulcsfeszültség-stabilizátor , a nevek is használatosak impulzusátalakító , kapcsolóüzemű tápegység ) - feszültségstabilizátor , amelyben a szabályozóelem ( kulcs ) impulzus üzemmódban működik [1] , azaz a szabályozó elem időszakosan kinyílik, ill. bezár.
A primer áramforrás energiája a szabályozóelemen keresztül bizonyos szakaszokban, a vezérlőhurok által adva továbbítódik, így a kimeneti feszültség átlagos értéke stabil marad. A kimeneti feszültség hullámzásainak kiegyenlítése egy olyan elem (vagy elemek kombinációja) jelenléte miatt következik be, amely képes elektromos energiát felhalmozni és a terhelésre szállítani.
A kapcsolófeszültség-stabilizátor a lineáris stabilizátorhoz képest kisebb energiaveszteséggel rendelkezik a szabályozóelem fűtéséhez, ami növeli a stabilizátor hatékonyságát és lehetővé teszi kisebb teljesítményű szabályozóelem, valamint kisebb méretű és tömegű radiátor használatát.
Előnyök:
Hibák:
A kapcsolófeszültség-stabilizátor egy automatikus vezérlőrendszer . A vezérlőkör beállítási paramétere a referenciafeszültség , amelyet a stabilizátor kimeneti feszültségével hasonlítanak össze. A vezérlőkészülék a hibajelzéstől függően változtatja a kulcs nyitott és zárt állapotának időtartamának arányát.
Az alábbiakban bemutatott blokkdiagramokon három funkcionális egység különböztethető meg: egy kulcs (1), egy energiatároló (2) (néha szűrőnek [7] ) és egy vezérlő áramkör. Ebben az esetben a kapcsoló (1) és az energiatároló (2) együtt alkotják a feszültségstabilizátor teljesítményrészét [8] , amelyek a vezérlőáramkörrel együtt egy vezérlőhurkot alkotnak. A vezérlőáramkör típusától függően három séma létezik.
A Schmitt triggerrel ellátott feszültségstabilizátort relének vagy be-kikapcsoló szabályozónak is nevezik [9] . Ebben a kimeneti feszültséget összehasonlítják az alsó és felső Schmitt trigger küszöbértékekkel (4 és 3) egy komparátor (4) segítségével, amely általában a Schmitt trigger bemeneti része. A kulcs (1) zárásakor a bemeneti feszültség az energiatárolóra (2) kerül, a kimeneti feszültség növekszik, majd az U max felső küszöb elérése után a Schmitt trigger a kulcsot nyitó állapotba kapcsol (1 ). A felhalmozott energia a terhelésben elfogy, miközben a stabilizátor kimenetén a feszültség leesik, és az alsó U min küszöb elérése után a Schmitt trigger a kapcsolót lezáró állapotba kapcsol. Továbbá a leírt eljárást időszakonként megismételjük. Ennek eredményeként a kimeneten pulzáló feszültség keletkezik , melynek hullámzási amplitúdója a Schmitt-trigger küszöbértékeinek különbségétől függ.
Egy ilyen stabilizátort a terhelésnél viszonylag nagy, alapvetően eltávolíthatatlan feszültségingadozás és a bemeneti feszültségtől és a terhelési áramtól függően változó átalakítási frekvencia jellemzi [10] .
Az előző diagramhoz hasonlóan működés közben az energiatároló (2) vagy rá van kötve a bemeneti feszültségre, vagy átadja a felhalmozott energiát a terhelésnek. Ennek eredményeként a kimenetnek van egy bizonyos átlagos feszültségértéke, amely a bemeneti feszültségtől és a kulcsvezérlő impulzusok (1) munkaciklusától [11] függ. A műveleti erősítőn (4) lévő kivonó-erősítő összehasonlítja a kimeneti feszültséget a referenciafeszültséggel (6), és felerősíti a modulátorra (3) betáplált különbséget. Ha a kimeneti feszültség kisebb, mint a referencia, akkor a modulátor növeli a kulcs nyitott állapotának idejét az óragenerátor (5) periódusához viszonyítva. Amikor a bemeneti feszültség vagy a terhelési áram változik, a kulcsvezérlő impulzusok munkaciklusa úgy változik, hogy biztosítsa a minimális különbséget a kimeneti és a referenciafeszültség között.
Egy ilyen stabilizátorban az átalakítási frekvencia nem függ a bemeneti feszültségtől és a terhelési áramtól, és az órajelgenerátor frekvenciája határozza meg [10] .
Ennél a szabályozási módnál a kulcsot nyitó impulzus állandó időtartamú, az impulzus ismétlődési gyakorisága pedig a referencia- és a kimeneti feszültség közötti eltéréstől függ. Amikor a terhelési áram nő vagy a bemeneti feszültség csökken, a frekvencia nő. A kulcs vezérelhető például egy monostabil multivibrátor (egy vibrátor) segítségével, szabályozott triggerfrekvenciával.
A tápfeszültség kapcsolási rajza szerint a kapcsolási stabilizátorokat általában három fő típusra osztják: leléptető, lépcsős és invertáló [8] . Ilyen felosztás különösen a hazai szakirodalomban alakult ki [12] .
Egyes szerzők, figyelembe véve az impulzusos egyenfeszültségű konverterek áramköreit azok sokféleségében, azt mutatják, hogy az átalakító elemi alapáramköreinek száma kettőre csökkenthető [13] - lefelé és emelőre. Azt is meg kell jegyezni, hogy az impulzusos feszültségátalakító más áramkörei (beleértve az invertáló konvertert is [14] ) e két alapáramkör lépcsőzetes kapcsolásával is előállíthatók [15].[16] .
Az alábbi áramkörökben S kulcsként térhatású tranzisztor , bipoláris tranzisztor vagy tirisztor használható , a kulcsos vezérlőáramkör az egyszerűség kedvéért nem látható. A kulcs zárt állapotának idejének és a zárt és nyitott állapotok időtartamának összegéhez viszonyított arányát munkaciklusnak ( vagy terhelési ciklusnak ) nevezzük [2] .
Elnevezések az angol szakirodalomban - bakkonverter (step-down converter) . Ha az S kapcsoló zárva van, akkor a D dióda zárva van, és a forrásból növekvő áram folyik át az L tekercsen . Amikor a kapcsoló kinyílik, az induktor árama, amely nem tud azonnal megváltozni, elkezd átfolyni a D diódán , miközben az áram csökken. Megfelelő induktivitás esetén az induktoráramnak nincs ideje nullára csökkenni a következő ciklus kezdetére (folyamatos áram mód), és pulzáló jellegű . Ezért a C kondenzátor hiányában is az R terhelésen fellépő feszültség ugyanolyan jellegű lesz hullámzásokkal, amelyek amplitúdója minél kisebb, annál nagyobb az induktor induktivitása . A gyakorlatban azonban az induktivitás növekedése az induktor méretének, tömegének és költségének növekedésével, valamint a benne lévő teljesítményveszteséggel jár együtt, így a kondenzátor alkalmazása a hullámosság csökkentésére hatékonyabb. Az L és C elemek kombinációját ebben az áramkörben gyakran szűrőnek nevezik [10] [17] .
Elnevezések az angol szakirodalomban - boost converter (step-up converter) . Ha az S kapcsoló zárva van, akkor a D dióda zárva van, és a forrásból lineárisan növekvő áram folyik az L induktoron keresztül . Amikor a kapcsoló kinyílik, a D diódán és a C kondenzátoron átfolyni kezd az induktor árama, amely nem változhat azonnal . A következő ciklus elejére a kondenzátoron áthaladó, szinte lineárisan csökkenő áram nullára csökkenhet, azonban az R terhelésre alkalmazott kondenzátorfeszültség szinte állandó - minél kisebb a hullámzási amplitúdó, annál nagyobb a kondenzátor kapacitása. Az előző áramkörrel ellentétben itt az induktor nem szűrőelem. A terhelési feszültség mindig nagyobb, mint a forrásfeszültség [10] [18] .
Az angol szakirodalom elnevezése buck-boost converter (vagyis „buck-boost converter”). A fő különbség az előző áramkörhöz képest, hogy a D , R , C áramkör a fojtószeleppel párhuzamosan csatlakozik, és nem párhuzamosan a kapcsolóval. Az áramkör működési elve hasonló. Ha az S kapcsoló zárva van, akkor a D dióda zárva van, és a forrásból lineárisan növekvő áram folyik az L induktoron keresztül . Amikor a kapcsoló kinyílik, az induktor árama, amely nem változhat azonnal, elkezd átfolyni a C kondenzátoron (töltés) és a D diódán . A következő ciklus elejére a kondenzátoron áthaladó szinte lineárisan csökkenő áram nullára csökkenhet, azonban az R terhelésre alkalmazott kondenzátorfeszültség szinte állandó - minél kisebb a hullámosság amplitúdója, annál nagyobb a kondenzátor kapacitása ( az induktor nem szűrőelem). A terhelési feszültség lehet nagyobb vagy kisebb, mint a forrásfeszültség [10] [19] .
Az előremenő feszültségesés a közönséges szilíciumdiódáknál körülbelül 0,7 V, a Schottky-diódáknál körülbelül 0,4 V. A diódában nagy áramerősségnél disszipált teljesítmény jelentősen csökkenti a hatékonyságot, különösen az alacsony kimeneti feszültségű szabályozóknál. Ezért az ilyen szabályozókban a diódát gyakran egy további félvezető kapcsolóval helyettesítik, alacsony bekapcsolt állapotú feszültségeséssel, például teljesítmény FET -tel .
Mindhárom leírt sémában a D dióda helyettesíthető egy kiegészítő kapcsolóval [20] , amely a főkapcsolóhoz képest ellenfázisban zárható és nyitható.
Ha egy kapcsolási stabilizátor bemeneti és kimeneti áramköreinek galvanikus leválasztása szükséges - például az elektromos biztonsági követelményeknek megfelelően, amikor ipari AC hálózatot használnak elsődleges áramforrásként - a fent tárgyalt főáramkörökben leválasztó transzformátor használható. A nagyfrekvenciás transzformátor használata egy feszültséglevezető áramkörben egyvégű vagy előretolható átalakító áramkörhöz vezet . A fojtótekercs cseréje az invertáló konverter áramkörében egy két vagy több tekercses fojtótekercsesre [ 21] egy flyback átalakító áramkörhöz vezet .
Az impulzusátalakítók néhány jellemzője a bemenet és a kimenet galvanikus leválasztásával:
A kapcsolási feszültségszabályozó nagyfrekvenciás interferencia forrása, mivel olyan kapcsolókat tartalmaz, amelyek az áramot kapcsolják [22] . Ezért a kapcsolás pillanataiban meglehetősen jelentős feszültség- és áramlökések lépnek fel, amelyek a stabilizátor bemenetén és kimenetén is zavart keltenek, és az interferencia egyszerre antifázisú és közös módú [3] . Zajszűrő szűrőket szerelnek fel mind a stabilizátor bemenetére, mind a kimenetére.
Az interferencia csökkentése érdekében lehetőség van a kulcs átkapcsolására azokban a pillanatokban, amikor nincs áram a kulcson keresztül, amikor kinyitják, vagy nulla feszültség van a kulcson, amikor zárva van. Ezt a technikát az úgynevezett rezonáns konvertereknél alkalmazzák, amelyeknek megvannak a maga hátrányai is [23] [24] .
A terhelés alatti kapcsolási feszültségszabályozó bemeneti negatív differenciálellenállással rendelkezik - a bemeneti feszültség növekedésével a bemeneti áram csökken, és fordítva. Ezt figyelembe kell venni annak érdekében, hogy a megnövelt belső ellenállású forrásból származó kapcsolófeszültség-szabályozó stabilitása megmaradjon [4] [6] .
A fent tárgyalt kapcsolási feszültségszabályozók (átalakítók) a bemeneti egyenáramot a kimeneten egyenárammá alakítják. A készülékek váltóáramú hálózatról történő táplálásához a bemeneten egy egyenirányító és egy simítószűrő található .
Ez bizonyos számú elem jelenlétét jelenti a leválasztó transzformátor előtt, és ezért galvanikusan csatlakozik a bemeneti áramkörökhöz. Az ilyen elemeket a táblákon általában sraffozással, vagy a retikuláris jelölőrétegen lévő vonallal, vagy akár speciális színezéssel lehet megkülönböztetni, amely figyelmezteti az érintett személyt az érintés lehetséges veszélyére. A kapcsolóüzemű tápegységek más eszközök (TV, számítógépek) részeként figyelmeztető címkékkel ellátott védőburkolatokkal vannak lezárva. Ha a kapcsolóüzemű tápegység javítása során eltávolított fedéllel kell bekapcsolni, akkor javasolt egy leválasztó transzformátoron vagy RCD -n keresztül kapcsolni .
Gyakran a kapcsolóüzemű tápegységek bemenetén zajszűrő szűrőket csatlakoztatnak a készülékházhoz. Ez akkor történik, ha az alváz védőföldelésének csatlakoztatására szolgál. Ha a védőföldelést elhanyagoljuk, akkor a műszerházon a földhöz képest a hálózati feszültség felével egyenlő potenciál keletkezik. A szűrőkondenzátorok általában kis kapacitásúak, így egy ilyen eszköz házának megérintése nem veszélyes az emberre, de észrevehető a test érzékeny részeinek egyidejű megérintése földelt eszközökkel és földeletlen tokkal (azt mondják, hogy az eszköz „harap”). Ezenkívül a tokon lévő potenciál veszélyes lehet magára a készülékre nézve.