Switching spänningsstabilisator ( nyckelspänningsstabilisator , namnen används också pulsomvandlare , switchande strömförsörjning ) - spänningsstabilisator , där reglerelementet ( nyckel ) arbetar i ett pulserat läge [1] , det vill säga reglerelementet öppnar periodiskt och stänger.
Energin från den primära kraftkällan överförs genom regleringselementet i vissa delar, som ges av styrslingan så att medelvärdet för utspänningen är stabilt. Utjämningen av utspänningsrippeln uppstår på grund av närvaron av ett element (eller en kombination av element) som kan ackumulera elektrisk energi och leverera den till lasten.
Omkopplingsspänningsstabilisator jämfört med en linjär stabilisator har lägre energiförluster för uppvärmning av reglerelementet, vilket ökar effektiviteten hos stabilisatorn och tillåter användning av ett lägre effektregleringselement och en radiator av mindre storlek och vikt.
Fördelar:
Brister:
Omkopplingsspänningsstabilisator är ett automatiskt styrsystem . Inställningsparametern för reglerslingan är referensspänningen , som jämförs med stabilisatorns utspänning. Beroende på felsignalen ändrar styrenheten förhållandet mellan varaktigheterna för nyckelns öppna och stängda tillstånd.
I blockdiagrammen som presenteras nedan kan tre funktionella enheter urskiljas: en nyckel (1), en energilagringsenhet (2) (ibland kallat filter [7] ) och en styrkrets. I detta fall bildar omkopplaren (1) och energilagringsanordningen (2) tillsammans kraftsektionen [8] för spänningsstabilisatorn , som tillsammans med styrkretsen bildar en reglerslinga. Det finns tre scheman beroende på typen av styrkrets.
En spänningsstabilisator med en Schmitt-trigger kallas även relä- eller på-av-regulator [9] . I den jämförs utspänningen med de nedre och övre Schmitt-triggertrösklarna (4 och 3) med hjälp av en komparator (4), som vanligtvis är ingångsdelen av Schmitt-triggern. När nyckeln (1) är stängd matas inspänningen till energilagringsenheten (2), utspänningen ökar och efter att den övre tröskeln Umax har nåtts växlar Schmitt- triggern till det tillstånd som öppnar nyckeln (1 ) ). Den ackumulerade energin förbrukas i lasten, medan spänningen vid stabilisatorns utgång sjunker, och efter att ha nått den lägre tröskeln U min växlar Schmitt-utlösaren till det tillstånd som stänger omkopplaren. Vidare upprepas den beskrivna processen periodiskt. Som ett resultat bildas en pulserande spänning vid utgången , vars rippelamplitud beror på skillnaden i tröskelvärdena för Schmitt-utlösaren.
En sådan stabilisator kännetecknas av en relativt stor, i grunden outtagbar spänningsrippel vid belastningen och en variabel omvandlingsfrekvens, beroende på både ingångsspänningen och belastningsströmmen [10] .
Som i föregående diagram, under drift, är energilagringsanordningen (2) antingen ansluten till ingångsspänningen eller överför den ackumulerade energin till lasten. Som ett resultat har utgången ett visst medelspänningsvärde, vilket beror på ingångsspänningen och driftcykeln [11] för nyckelstyrpulserna (1). Subtraktor-förstärkaren på operationsförstärkaren (4) jämför utspänningen med referensspänningen (6) och förstärker skillnaden som matas till modulatorn (3). Om utspänningen är mindre än referensen, ökar modulatorn förhållandet mellan tiden för nyckelns öppna tillstånd och klockgeneratorns (5) period. När ingångsspänningen eller belastningsströmmen ändras, ändras funktionscykeln för nyckelstyrpulserna på ett sådant sätt att den minsta skillnaden mellan ut- och referensspänningen säkerställs.
I en sådan stabilisator beror omvandlingsfrekvensen inte på ingångsspänningen och belastningsströmmen och bestäms av klockgeneratorns frekvens [10] .
Med denna kontrollmetod har pulsen som öppnar nyckeln en konstant varaktighet, och pulsrepetitionshastigheten beror på missanpassningssignalen mellan referens- och utspänningen. När belastningsströmmen ökar eller ingångsspänningen minskar, ökar frekvensen. Nyckeln kan styras till exempel med en monostabil multivibrator (enkel vibrator) med en kontrollerad triggerfrekvens.
Enligt strömkretsschemat delas omkopplingsstabilisatorer vanligtvis in i tre huvudtyper: nedtrappning, upptrappning och invertering [8] . En sådan uppdelning har utvecklats i synnerhet i den inhemska tekniska litteraturen [12] .
Vissa författare, med tanke på kretsar av pulsade DC-spänningsomvandlare i all sin mångfald, visar att antalet elementära grundkretsar för omvandlaren kan reduceras till två [13] - nedtrappningstyp och steguppgångstyp. Det noteras också att andra kretsar i en pulsad spänningsomvandlare (inklusive en inverterande omvandlare [14] ) kan erhållas genom att kaskadkoppla dessa två grundläggande kretsar [15][16] .
I kretsarna nedan kan en fälteffekttransistor , en bipolär transistor eller en tyristor användas som nyckel S , nyckelstyrkretsen visas inte för enkelhets skull. Förhållandet mellan tiden för nyckelns stängda tillstånd och summan av varaktigheterna för det stängda och öppna tillståndet kallas arbetscykeln ( eller arbetscykeln ) [2] .
Namn i engelsk litteratur - buck converter (step-down converter) . Om omkopplaren S är sluten är dioden D stängd och en ökande ström flyter genom induktorn L från källan . När omkopplaren öppnas börjar induktorströmmen, som inte kan ändras omedelbart, flyta genom dioden D , medan strömmen minskar. Med tillräcklig induktans hinner inte induktorströmmen minska till noll i början av nästa cykel (kontinuerligt strömläge) och har en pulserande karaktär . Därför, även i frånvaro av en kondensator C , kommer spänningen över belastningen R att ha samma karaktär med rippel, vars amplitud är desto mindre, desto större induktans av induktansen. Men i praktiken är en ökning av induktansen förknippad med en ökning av storleken, vikten och kostnaden för induktorn och effektförluster i den, så användningen av en kondensator för att minska rippel är mer effektiv. Kombinationen av element L och C i denna krets kallas ofta ett filter [10] [17] .
Namn i engelsk litteratur - boost converter (step-up converter) . Om omkopplaren S är stängd är dioden D stängd och en linjärt ökande ström flyter från källan genom induktorn L. När omkopplaren öppnas börjar induktorströmmen, som inte kan ändras omedelbart, strömma genom dioden D och kondensatorn C (laddar den). I början av nästa cykel kan den nästan linjärt minskande strömmen genom kondensatorn minska till noll, dock är kondensatorspänningen som appliceras på belastningen R nästan konstant - rippelamplituden är desto mindre, desto större kapacitans på kondensatorn. Till skillnad från den tidigare kretsen är här inte induktorn ett filterelement. Lastspänningen är alltid större än källspänningen [10] [18] .
Namnet i engelsk litteratur är buck-boost converter (det vill säga "buck-boost converter"). Huvudskillnaden från föregående krets är att kretsen D , R , C är ansluten parallellt med choken och inte parallellt med strömbrytaren. Funktionsprincipen för kretsen är liknande. Om omkopplaren S är stängd är dioden D stängd och en linjärt ökande ström flyter från källan genom induktorn L. När omkopplaren öppnas börjar induktorströmmen, som inte kan ändras omedelbart, strömma genom kondensator C (laddar den) och diod D. I början av nästa cykel kan den nästan linjärt minskande strömmen genom kondensatorn minska till noll, dock är kondensatorspänningen som appliceras på lasten R nästan konstant - rippelamplituden är desto mindre, desto större kapacitans på kondensatorn ( induktorn är inte ett filterelement). Lastspänningen kan antingen vara större eller lägre än källspänningen [10] [19] .
Framspänningsfallet för vanliga kiseldioder är cirka 0,7 V, för Schottky-dioder är det cirka 0,4 V. Effekten som förbrukas i dioden vid höga strömmar minskar effektiviteten avsevärt, särskilt i regulatorer med låg utspänning. Därför, i sådana regulatorer, ersätts dioden ofta med en extra halvledaromkopplare med ett lågt spänningsfall i tillståndet, såsom en effekt- FET .
I alla tre beskrivna scheman kan dioden D ersättas med en extra omkopplare [20] som kan stängas och öppnas i motfas till huvudströmbrytaren.
Om galvanisk isolering av ingångs- och utgångskretsarna på en omkopplingsstabilisator krävs - till exempel enligt elektriska säkerhetskrav vid användning av ett industriellt växelströmsnät som primär strömkälla - kan en isoleringstransformator användas i huvudkretsarna som diskuterats ovan. Användningen av en högfrekvenstransformator i en omvandlarkrets med spänningsnedgång leder till en omvandlarkrets med enkel ände eller push - pull framåt . Att byta ut choken i den inverterande omvandlarkretsen med en choke med två eller flera lindningar leder [ 21 ] till en tillbakagångsomvandlarkrets .
Några funktioner hos pulsomvandlare med galvanisk isolering av ingång från utgång:
Omkopplingsspänningsregulatorn är en källa till högfrekvent störning på grund av att den innehåller omkopplare som kopplar om strömmen [22] . Därför, vid omkopplingsögonblicken, uppstår ganska betydande överspänningar och strömmar, vilket genererar störningar både vid ingången och vid utgången av stabilisatorn, och störningen är både motfas och gemensamt läge [3] . Brusreduceringsfilter är installerade både vid ingången och vid utgången av stabilisatorn.
För att minska störningar är det möjligt att byta nyckel i de ögonblick då det inte går någon ström genom nyckeln när den öppnas eller det är noll spänning på nyckeln när den är stängd. Denna teknik används i de så kallade resonantomvandlarna, som också har sina nackdelar [23] [24] .
Omkopplingsspänningsregulatorn under belastning har en negativ ingångsdifferensresistans - när inspänningen ökar, minskar inströmmen och vice versa. Detta bör beaktas för att upprätthålla stabiliteten hos växlingsspänningsregulatorn från en källa med ökat inre motstånd [4] [6] .
De switchade spänningsregulatorerna (omvandlarna) som diskuterats ovan omvandlar likströmmen vid ingången till en likström vid utgången. För att driva enheterna från växelströmsnätet är en likriktare och ett utjämningsfilter installerade vid ingången .
Detta innebär närvaron av ett visst antal element installerade före isoleringstransformatorn och därför galvaniskt anslutna till ingångskretsarna. Sådana element särskiljs vanligtvis på brädorna antingen genom kläckning eller genom en linje på det retikulära markeringslagret, eller till och med en speciell färg som varnar en person om den potentiella faran att röra vid dem. Byte av strömförsörjning som en del av andra enheter (TV-apparater, datorer) är stängda med skyddskåpor försedda med varningsetiketter. Om det, när du reparerar en strömförsörjning, är nödvändigt att slå på den med locket borttaget, rekommenderas det att slå på det genom en isoleringstransformator eller RCD .
Ofta är brusdämpningsfilter vid ingången av strömförsörjning anslutna till enhetens hölje. Detta görs om det är avsett att ansluta chassits skyddsjord. Om den skyddande jordningen försummas, bildas en potential i förhållande till jord på instrumenthöljet, lika med halva nätspänningen. Filterkondensatorer har som regel en liten kapacitans, så det är inte farligt för människor att röra höljet till en sådan enhet, men samtidigt beröring av känsliga delar av kroppen med jordade enheter och ett ojordat hölje märks (de säger att enheten "bett"). Dessutom kan potentialen på fodralet vara farlig för själva enheten.