Quasi ogni lavoro circuito elettronico richiede una o più sorgenti di tensione costante, nella maggior parte dei casi viene utilizzata una tensione stabilizzata. Gli alimentatori stabilizzati utilizzano stabilizzatori lineari o di commutazione. Ogni tipo di convertitore presenta i propri vantaggi e, di conseguenza, la propria nicchia nei circuiti di alimentazione. Gli indubbi vantaggi della commutazione degli stabilizzatori includono valori più elevati del coefficiente azione utile, la capacità di ottenere elevati valori di corrente di uscita ed elevata efficienza con una grande differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita.
Il principio di funzionamento di uno stabilizzatore di impulsi buck
La Figura 1 mostra uno schema semplificato della sezione di potenza dell'IPSN.
Riso. 1.
Il transistor ad effetto di campo VT esegue la commutazione di corrente ad alta frequenza. Negli stabilizzatori di impulsi, il transistor funziona in modalità di commutazione, ovvero può trovarsi in uno dei due stati stabili: piena conduzione e interruzione. Di conseguenza, il funzionamento dell'IPSN consiste in due fasi alternate: la fase di pompaggio dell'energia (quando il transistor VT è aperto) e la fase di scarica (quando il transistor è chiuso). Il funzionamento dell'IPSN è illustrato nella Figura 2.
Riso. 2. Principio di funzionamento dell'IPSN: a) fase di pompaggio; b) fase di scarico; c) diagrammi temporali
La fase di pompaggio di energia continua per tutto l'intervallo di tempo T I. Durante questo tempo l'interruttore è chiuso e conduce la corrente I VT. Successivamente, la corrente passa attraverso l'induttore L al carico R, deviata dal condensatore di uscita C OUT. Nella prima parte della fase il condensatore fornisce la corrente I C al carico e nella seconda metà preleva parte della corrente I L dal carico. L'entità della corrente I L aumenta continuamente e l'energia viene accumulata nell'induttore L e nella seconda parte della fase - sul condensatore C OUT. La tensione sul diodo V D è uguale a U IN (meno la caduta di tensione sul transistor aperto) e durante questa fase il diodo è chiuso: non scorre corrente attraverso di esso. La corrente I R che scorre attraverso il carico R è costante (la differenza I L - I C), di conseguenza anche la tensione U OUT in uscita è costante.
La fase di scarica avviene durante il tempo TP: l'interruttore è aperto e non vi scorre corrente. È noto che la corrente che scorre attraverso l'induttore non può cambiare istantaneamente. La corrente IL, in costante diminuzione, attraversa il carico e si chiude attraverso il diodo V D. Nella prima parte di questa fase il condensatore C OUT continua ad accumulare energia prelevando parte della corrente I L dal carico. Nella seconda metà della fase di scarica, anche il condensatore inizia a fornire corrente al carico. Durante questa fase anche la corrente I R che circola nel carico è costante. Pertanto, anche la tensione di uscita è stabile.
Impostazioni principali
Innanzitutto notiamo che, in base alla loro progettazione funzionale, distinguono tra IPSN con tensione di uscita regolabile e fissa. I circuiti di commutazione tipici per entrambi i tipi di IPSN sono presentati nella Figura 3. La differenza tra loro è che nel primo caso il partitore resistivo, che determina il valore della tensione di uscita, si trova all'esterno del circuito integrato e nel secondo dentro. Di conseguenza, nel primo caso, il valore della tensione di uscita viene impostato dall'utente e nel secondo viene impostato durante la fabbricazione del microcircuito.
Riso. 3. Circuito di commutazione tipico per IPSN: a) con tensione di uscita regolabile eb) con tensione di uscita fissa
I parametri più importanti di IPSN includono:
- Intervallo di valori consentiti della tensione di ingresso U IN_MIN…U IN_MAX.
- Il valore massimo della corrente di uscita (corrente di carico) I OUT_MAX.
- Valore nominale della tensione di uscita U OUT (per IPSN con valore di tensione di uscita fisso) o intervallo di valori di tensione di uscita U OUT_MIN ...U OUT_MAX (per IPSN con valore di tensione di uscita regolabile). Spesso dentro materiali di riferimento si indica che il valore massimo della tensione di uscita U OUT_MAX è pari al valore massimo della tensione di ingresso U IN_MAX. In realtà questo non è del tutto vero. In ogni caso, la tensione di uscita è inferiore alla tensione di ingresso, almeno per l'entità della caduta di tensione sul transistor chiave U DROP. Con un valore di corrente di uscita pari, ad esempio, a 3 A, il valore di U DROP sarà 0,1...1,0 V (a seconda del microcircuito IPSN selezionato). L'uguaglianza approssimativa di U OUT_MAX e U IN_MAX è possibile solo con valori di corrente di carico molto bassi. Si noti inoltre che il processo di stabilizzazione della tensione di uscita comporta una perdita di diversi punti percentuali della tensione di ingresso. L'uguaglianza dichiarata di U OUT_MAX e U IN_MAX va intesa solo nel senso che non esistono altri motivi per ridurre U OUT_MAX oltre a quelli sopra indicati in un prodotto specifico (in particolare, non esistono restrizioni esplicite sul valore massimo del fattore di riempimento D). Il valore della tensione è solitamente indicato come U OUT_MIN feedback UFB. In realtà U OUT_MIN dovrebbe essere sempre più alto di parecchi punti percentuali (per gli stessi motivi di stabilizzazione).
- Precisione dell'impostazione della tensione di uscita. Impostato in percentuale. Ha senso solo nel caso di IPSN con un valore di tensione di uscita fisso, poiché in questo caso i resistori del divisore di tensione si trovano all'interno del microcircuito e la loro precisione è un parametro controllato durante la produzione. Nel caso di IPSN con valore di tensione di uscita regolabile, il parametro perde il suo significato, poiché la precisione dei resistori divisori è selezionata dall'utente. In questo caso, possiamo solo parlare dell'entità delle fluttuazioni della tensione di uscita rispetto a un determinato valore medio (la precisione del segnale di feedback). Ricordiamo che in ogni caso questo parametro per la commutazione degli stabilizzatori di tensione è 3...5 volte peggiore rispetto agli stabilizzatori lineari.
- Caduta di tensione sul transistor aperto R DS_ON. Come già notato, questo parametro è associato ad un'inevitabile diminuzione della tensione di uscita rispetto alla tensione di ingresso. Ma qualcos'altro è più importante: maggiore è il valore di resistenza del canale aperto, maggiore è l'energia dissipata sotto forma di calore. Per microcircuiti moderni I valori IPSN fino a 300 mOhm sono un buon valore. Valori più alti sono tipici per i chip sviluppati almeno cinque anni fa. Si noti inoltre che il valore di R DS_ON non è una costante, ma dipende dal valore della corrente di uscita I OUT.
- Durata del ciclo di lavoro T e frequenza di commutazione F SW. La durata del ciclo di lavoro T è determinata come somma degli intervalli T I (durata dell'impulso) e T P (durata della pausa). Pertanto la frequenza F SW è il reciproco della durata del ciclo operativo. Per alcune parti dell'IPSN, la frequenza di commutazione è un valore costante determinato dagli elementi interni del circuito integrato. Per un'altra parte dell'IPSN, la frequenza di commutazione è impostata da elementi esterni (solitamente un circuito RC esterno), in questo caso viene determinato l'intervallo di frequenze consentite F SW_MIN ... F SW_MAX. Di più alta frequenza la commutazione consente l'uso di induttanze con valore più basso induttanza, che ha un effetto positivo sia sulle dimensioni del prodotto che sul suo prezzo. La maggior parte degli ISPS utilizza il controllo PWM, ovvero il valore T è costante e durante il processo di stabilizzazione viene regolato il valore T I. La modulazione della frequenza degli impulsi (controllo PFM) viene utilizzata molto meno frequentemente. In questo caso, il valore di T I è costante e la stabilizzazione viene effettuata modificando la durata della pausa T P. Pertanto, i valori di T e, di conseguenza, F SW diventano variabili. Nei materiali di riferimento in questo caso, di norma, viene impostata una frequenza corrispondente a un ciclo di lavoro pari a 2. Si noti che l'intervallo di frequenza F SW_MIN ...F SW_MAX di una frequenza regolabile dovrebbe essere distinto dal cancello di tolleranza per un valore fisso frequenza, poiché il valore di tolleranza è spesso indicato nel produttore dei materiali di riferimento.
- Fattore di servizio D, che è uguale alla percentuale
il rapporto tra T I e T. I materiali di riferimento spesso indicano “fino al 100%”. Ovviamente questa è un'esagerazione, poiché se il transistor della chiave è costantemente aperto, non avviene alcun processo di stabilizzazione. Nella maggior parte dei modelli immessi sul mercato prima del 2005 circa, a causa di una serie di limitazioni tecnologiche, il valore di questo coefficiente era limitato al di sopra del 90%. Nei moderni modelli IPSN, la maggior parte di queste limitazioni sono state superate, ma la frase “fino al 100%” non dovrebbe essere presa alla lettera. - Fattore di efficienza (o efficienza). Come è noto, per gli stabilizzatori lineari (fondamentalmente step-down) questo è il rapporto percentuale tra la tensione di uscita e quella di ingresso, poiché i valori della corrente di ingresso e di uscita sono quasi uguali. Per gli stabilizzatori di commutazione, le correnti di ingresso e di uscita possono differire in modo significativo, quindi il rapporto percentuale tra potenza di uscita e potenza di ingresso viene considerato come efficienza. A rigor di termini, per lo stesso microcircuito IPSN, il valore di questo coefficiente può differire in modo significativo a seconda del rapporto tra le tensioni di ingresso e di uscita, la quantità di corrente nel carico e la frequenza di commutazione. Per la maggior parte degli IPSN, la massima efficienza si ottiene con un valore di corrente di carico dell'ordine del 20...30% del valore massimo consentito, quindi il valore numerico non è molto informativo. È più consigliabile utilizzare i grafici di dipendenza forniti nei materiali di riferimento del produttore. La Figura 4 mostra i grafici di efficienza per uno stabilizzatore come esempio. . Ovviamente, non è possibile utilizzare uno stabilizzatore ad alta tensione a bassi valori effettivi della tensione di ingresso buona decisione, poiché il valore di efficienza diminuisce notevolmente quando la corrente di carico si avvicina al suo valore massimo. Il secondo gruppo di grafici illustra la modalità più preferibile, poiché il valore di efficienza dipende debolmente dalle fluttuazioni della corrente di uscita. Il criterio per la scelta corretta di un convertitore non è tanto il valore numerico dell'efficienza, ma piuttosto la regolarità del grafico della funzione della corrente nel carico (l'assenza di un “blocco” nella regione delle correnti elevate ).
Riso. 4.
L'elenco fornito non esaurisce l'intero elenco dei parametri IPSN. In letteratura si possono trovare parametri meno significativi.
Caratteristiche speciali
stabilizzatori di tensione a impulsi
Nella maggior parte dei casi, IPSN dispone di una serie di funzioni aggiuntive che ne espandono le capacità applicazione pratica. I più comuni sono i seguenti:
- L'ingresso di spegnimento del carico “On/Off” o “Shutdown” consente di aprire il transistor della chiave e quindi scollegare la tensione dal carico. Tipicamente utilizzato per telecomando un gruppo di stabilizzatori, che implementano uno specifico algoritmo per fornire e disattivare le singole tensioni nel sistema di alimentazione. Inoltre, può essere utilizzato come ingresso per lo spegnimento di emergenza in caso di emergenza.
- Uscita di stato normale “Power Good” è un segnale di uscita generalizzante che conferma che l'IPSN è in condizioni operative normali. Il livello del segnale attivo si forma dopo il completamento dei processi transitori dalla fornitura di tensione di ingresso e, di norma, viene utilizzato come segno della funzionalità dell'ISPN o per attivare il successivo ISPN nei sistemi di alimentazione seriale. I motivi per cui questo segnale può essere ripristinato: la tensione di ingresso scende al di sotto di un certo livello, la tensione di uscita supera un certo intervallo, il carico viene spento dal segnale di Shutdown, viene superato il valore massimo di corrente nel carico (in particolare, il fatto di un cortocircuito), spegnimento termico del carico e qualche altro. I fattori che vengono presi in considerazione durante la generazione di questo segnale dipendono da modello specifico IPSN.
- Il pin di sincronizzazione esterno “Sync” offre la possibilità di sincronizzare l'oscillatore interno con un segnale di clock esterno. Utilizzato per organizzare la sincronizzazione congiunta di diversi stabilizzatori in sistemi di alimentazione complessi. Si noti che la frequenza del segnale di clock esterno non deve coincidere con la frequenza naturale del FSW, tuttavia deve rientrare nei limiti consentiti specificati nei materiali del produttore.
- La funzione Soft Start fornisce un aumento relativamente lento della tensione di uscita quando la tensione viene applicata all'ingresso dell'IPSN o quando il segnale di spegnimento viene attivato sul fronte di discesa. Questa funzione consente di ridurre i picchi di corrente nel carico quando il microcircuito è acceso. I parametri operativi del circuito di avvio graduale sono spesso fissi e determinati dai componenti interni dello stabilizzatore. Alcuni modelli IPSN dispongono di una speciale uscita Soft Start. In questo caso, i parametri di avvio sono determinati dai valori nominali degli elementi esterni (resistore, condensatore, circuito RC) collegati a questo pin.
- La protezione della temperatura è progettata per prevenire guasti al chip se il cristallo si surriscalda. Un aumento della temperatura del cristallo (indipendentemente dal motivo) al di sopra di un certo livello attiva un meccanismo protettivo: una diminuzione della corrente nel carico o nel suo spegnimento completo. Ciò impedisce un ulteriore aumento della temperatura dello stampo e danni al chip. Riportare il circuito alla modalità di stabilizzazione della tensione è possibile solo dopo che il microcircuito si è raffreddato. Si noti che la protezione termica è implementata nella stragrande maggioranza dei moderni microcircuiti IPSN, ma non viene fornita un'indicazione separata di questa particolare condizione. L'ingegnere dovrà indovinare da solo che il motivo dello spegnimento del carico è proprio il funzionamento della protezione termica.
- La protezione corrente consiste nel limitare la quantità di corrente che scorre attraverso il carico o nel disconnettere il carico. La protezione interviene se la resistenza del carico è troppo bassa (ad esempio c'è un cortocircuito) e la corrente supera un certo valore di soglia, che può portare al guasto del microcircuito. Come nel caso precedente, diagnosticare questa condizione è compito dell'ingegnere.
Un'ultima nota riguarda i parametri e le funzioni dell'IPSN. Nelle Figure 1 e 2 è presente un diodo a scarica V D. Negli stabilizzatori abbastanza vecchi, questo diodo è implementato proprio come un diodo al silicio esterno. Lo svantaggio di questa soluzione circuitale era l'elevata caduta di tensione (circa 0,6 V) attraverso il diodo nello stato aperto. I progetti successivi hanno utilizzato un diodo Schottky, che aveva una caduta di tensione di circa 0,3 V. Negli ultimi cinque anni, i progetti hanno utilizzato queste soluzioni solo per i convertitori ad alta tensione. Nella maggior parte dei prodotti moderni, il diodo di scarica è realizzato come interno transistor ad effetto di campo, operante in antifase con il transistor di chiave. In questo caso, la caduta di tensione è determinata dalla resistenza del canale aperto e con correnti di carico basse fornisce un guadagno aggiuntivo. Gli stabilizzatori che utilizzano questo disegno di circuito sono chiamati sincroni. Si prega di notare che la capacità di operare con un segnale di clock esterno e il termine “sincrono” non sono in alcun modo correlati.
con bassa tensione di ingresso
Considerando il fatto che nella gamma STMicroelectronics esistono circa 70 tipi di IPSN con transistor a chiave integrato, ha senso sistematizzare tutta la diversità. Se prendiamo come criterio un parametro come il valore massimo della tensione di ingresso, si possono distinguere quattro gruppi:
1. IPSN con bassa tensione di ingresso (6 V o meno);
2. IPSN con tensione di ingresso 10...28 V;
3. IPSN con tensione di ingresso 36…38 V;
4. IPSN con tensione di ingresso elevata (46 V e superiore).
I parametri degli stabilizzatori del primo gruppo sono riportati nella Tabella 1.
Tabella 1. IPSN con bassa tensione di ingresso
| Nome | Uscita corrente, A | Ingresso tensione, V |
Giorno libero tensione, V |
Efficienza,% | Frequenza di commutazione, kHz | Funzioni e flag | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IO FUORI | VIN | V FUORI | H | FSW | R DSON | Acceso spento | Sincronizzazione. Spillo |
Morbido Inizio |
Pow bene | |||
| Massimo | minimo | Massimo | minimo | Massimo | Massimo | Tipo | ||||||
| L6925D | 0,8 | 2,7 | 5,5 | 0,6 | 5,5 | 95 | 600 | 240 | + | + | + | + |
| L6926 | 0,8 | 2,0 | 5,5 | 0,6 | 5,5 | 95 | 600 | 240 | + | + | + | + |
| L6928 | 0,8 | 2,0 | 5,5 | 0,6 | 5,5 | 95 | 1450 | 240 | + | + | + | + |
| PM8903A | 3,0 | 2,8 | 6,0 | 0,6 | 6,0 | 96 | 1100 | 35 | + | + | + | + |
| ST1S06A | 1,5 | 2,7 | 6,0 | 0,8 | 5,0 | 92 | 1500 | 150 | + | – | + | – |
| ST1S09 | 2,0 | 4,5 | 5,5 | 0,8 | 5,0 | 95 | 1500 | 100 | * | – | + | + |
| ST1S12 | 0,7 | 2,5 | 5,5 | 0,6 | 5,0 | 92 | 1700 | 250 | + | + | – | |
| ST1S15 | 0,5 | 2,3 | 5,5 | Aggiustare. 1,82 e 2,8 V | 90 | 6000 | 350 | + | – | + | – | |
| ST1S30 | 3,0 | 2,7 | 6,0 | 0,8 | 5,0 | 85 | 1500 | 100 | * | – | + | + |
| ST1S31 | 3,0 | 2,8 | 5,5 | 0,8 | 5,5 | 95 | 1500 | 60 | + | – | + | – |
| ST1S32 | 4,0 | 2,8 | 5,5 | 0,8 | 5,5 | 95 | 1500 | 60 | + | – | + | – |
| * – la funzione non è disponibile per tutte le versioni. | ||||||||||||
Nel 2005 la linea di stabilizzatori di questo tipo era incompleta. Era limitato ai microcircuiti. Questi microcircuiti avevano buone caratteristiche: elevata precisione ed efficienza, nessuna restrizione sul valore del ciclo di lavoro, possibilità di regolare la frequenza quando si opera da un segnale di clock esterno, valore RDSON accettabile. Tutto ciò rende questi prodotti richiesti oggi. Uno svantaggio significativo è la bassa corrente di uscita massima. Non c'erano stabilizzatori per correnti di carico di 1 A e superiori nella linea IPSN a bassa tensione di STMicroelectronics. Successivamente, questo divario è stato eliminato: prima sono comparsi gli stabilizzatori per 1,5 e 2 A (e), e in l'anno scorso- a 3 e 4 A ( , E ). Oltre ad aumentare la corrente di uscita, è aumentata la frequenza di commutazione e è diminuita la resistenza del canale aperto, il che ha un effetto positivo sulle proprietà di consumo dei prodotti finali. Notiamo anche l'emergere di microcircuiti IPSN con tensione di uscita fissa ( e ): non ci sono molti prodotti simili nella linea STMicroelectronics. L'ultimo arrivato, con un valore RDSON di 35 mOhm, è uno dei migliori del settore e, combinato con un'ampia funzionalità, promette buone prospettive per questo prodotto.
Principale ambito di applicazione dei prodotti di questo tipo— dispositivi mobili alimentati a batteria. L'ampio intervallo di tensione in ingresso garantisce il funzionamento stabile dell'apparecchiatura a diversi livelli di carica batteria e l'elevata efficienza riduce al minimo la conversione dell'energia in ingresso in calore. Quest'ultima circostanza determina i vantaggi della commutazione degli stabilizzatori rispetto a quelli lineari in quest'area delle applicazioni utente.
In generale, questo gruppo di STMicroelectronics si sta sviluppando in modo abbastanza dinamico: circa la metà dell'intera linea è apparsa sul mercato negli ultimi 3-4 anni.
Cambio degli stabilizzatori buck
con tensione di ingresso 10…28 V
I parametri dei convertitori di questo gruppo sono riportati nella Tabella 2.
Tavolo 2. IPSN con tensione di ingresso 10…28 V
| Nome | Uscita corrente, A | Ingresso tensione, V |
Giorno libero tensione, V |
Efficienza,% | Frequenza di commutazione, kHz | Resistenza del canale aperto, mOhm | Funzioni e flag | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IO FUORI | VIN | V FUORI | H | FSW | R DSON | Acceso spento | Sincronizzazione. Spillo |
Morbido Inizio |
Pow bene | |||
| Massimo | minimo | Massimo | minimo | Massimo | Massimo | Tipo | ||||||
| L5980 | 0,7 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5981 | 1,0 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5983 | 1,5 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5985 | 2,0 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5986 | 2,5 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5987 | 3,0 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5988D | 4,0 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 95 | 400…1000 | 120 | + | + | + | – |
| L5989D | 4,0 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 95 | 400…1000 | 120 | + | – | + | + |
| L7980 | 2,0 | 4,5 | 28,0 | 0,6 | 28,0 | 93 | 250…1000 | 160 | + | + | + | – |
| L7981 | 3,0 | 4,5 | 28,0 | 0,6 | 28,0 | 93 | 250…1000 | 160 | + | + | + | – |
| ST1CC40 | 2,0 | 3,0 | 18,0 | 0,1 | 18,0 | nd | 850 | 95 | + | – | + | – |
| ST1S03 | 1,5 | 2,7 | 16,0 | 0,8 | 12,0 | 79 | 1500 | 280 | – | – | + | – |
| ST1S10 | 3,0 | 2,7 | 18,0 | 0,8 | 16,0 | 95 | 900 | 120 | + | + | + | – |
| ST1S40 | 3,0 | 4,0 | 18,0 | 0,8 | 18,0 | 95 | 850 | 95 | + | – | + | – |
| ST1S41 | 4,0 | 4,0 | 18,0 | 0,8 | 18,0 | 95 | 850 | 95 | + | – | + | – |
| ST763AC | 0,5 | 3,3 | 11,0 | Aggiustare. 3.3 | 90 | 200 | 1000 | + | – | + | – | |
Otto anni fa questo gruppo era rappresentato solo dai microcircuiti , e con tensione di ingresso fino a 11 V. Il campo da 16 a 28 V è rimasto vuoto. Di tutte le modifiche elencate, solo , ma i parametri di questo IPSN corrispondono male ai requisiti moderni. Possiamo supporre che durante questo periodo la nomenclatura del gruppo in esame sia stata completamente aggiornata.
Attualmente, la base di questo gruppo sono i microcircuiti . Questa linea è progettata per l'intera gamma di correnti di carico da 0,7 a 4 A set completo funzioni speciali, la frequenza di commutazione è regolata entro un intervallo abbastanza ampio, non ci sono restrizioni sul valore del fattore di riempimento, i valori di efficienza e resistenza del canale aperto soddisfano i requisiti moderni. Ci sono due svantaggi significativi in questa serie. Innanzitutto, non è presente alcun diodo di scarica integrato (ad eccezione dei microcircuiti con il suffisso D). La precisione della regolazione della tensione di uscita è piuttosto elevata (2%), ma la presenza di tre o più elementi esterni nel circuito di compensazione del feedback non può essere considerata un vantaggio. I microcircuiti differiscono dalla serie L598x solo per un diverso intervallo di tensione di ingresso, ma il design del circuito e, di conseguenza, i vantaggi e gli svantaggi sono simili alla famiglia L598x. Ad esempio, la Figura 5 mostra diagramma tipico accendendo un microcircuito da tre amp. C'è anche un diodo di scarica D e elementi del circuito di compensazione R4, C4 e C5. Gli ingressi F SW e SYNCH rimangono liberi, pertanto il convertitore funziona da un oscillatore interno con la frequenza F SW predefinita.
Il microcircuito considerato oggi è un convertitore di tensione CC-CC regolabile, o semplicemente uno stabilizzatore di corrente regolabile step-down di 40 volt in ingresso e da 1,2 a 35 V in uscita. LM2576 richiede una potenza in ingresso di circa 40-50 V corrente continua. Poiché può gestire correnti fino a 3 A, l'LM2576 funziona come un regolatore di commutazione in grado di pilotare un carico di 3 A con un numero minimo di componenti e un piccolo dissipatore di calore. Il prezzo del chip LM2576 è di circa 140 rubli.
Diagramma schematico dello stabilizzatore
Caratteristiche dello schema
- Voltaggio in uscita regolabile 1,2 - 35 V e basso ripple
- Potenziometro per una regolazione fluida della tensione di uscita
- La scheda è dotata di un raddrizzatore a ponte di tensione CA
- Indicazione LED della potenza in ingresso
- Dimensioni scheda a circuito stampato 70 x 63 mm
Il circuito è destinato ad alimentatori da tavolo, caricabatterie, come driver LED. Successivamente ci sono 2 opzioni di progettazione: in forma standard e planare:
Perché non è possibile utilizzare semplici stabilizzatori parametrici come LM317 in tali alimentatori stabilizzati? Poiché la dissipazione di potenza con una tensione di 30 V 3 A sarà di diverse decine di watt, saranno necessari un enorme radiatore e un dispositivo di raffreddamento. Ma con la stabilizzazione degli impulsi, la potenza rilasciata sul microcircuito è quasi 10 volte inferiore. Pertanto, con LM2576 otteniamo un piccolo e potente regolatore di tensione regolabile universale.
Uno svantaggio comune degli stabilizzatori di tensione compensativi è la loro bassa efficienza dovuta alle perdite nei transistor dell'elemento di controllo, che, inoltre, richiede potenti dissipatori di calore, di dimensioni e peso significativamente maggiori rispetto agli stabilizzatori stessi. Una soluzione tecnica più avanzata sono gli stabilizzatori di tensione a impulsi (VST), in cui i transistor degli elementi di controllo funzionano in modalità chiave. Quando si utilizzano transistor ad alta frequenza, il problema dell'efficienza e delle caratteristiche peso-dimensionali di tali stabilizzatori viene risolto in modo abbastanza radicale.
Esistono tre circuiti ISN principali: ISN seriale di tipo bucking (Fig. 12.15), ISN parallelo di tipo boosting (Fig. 12.16) e tipo di inversione parallela (Fig. 12.17). Tutti e tre i circuiti contengono l'induttanza di accumulo L, l'elemento di controllo 1, il diodo di blocco VD, gli elementi di controllo 2, 3 e il condensatore di filtro C.
Il regolatore della serie di commutazione di tipo buck è realizzato secondo diagramma strutturale mostrato in Fig. 12.15, in cui l'elemento di controllo 1 e l'induttore L sono collegati in serie al carico Rn. Un transistor che funziona in modalità di commutazione viene utilizzato come RE. Quando il transistor è aperto per un tempo T„, l'energia proveniente dalla sorgente di corrente continua in ingresso Ui (o un raddrizzatore con tensione in uscita Uo) viene trasferita al carico attraverso l'induttore L, nel quale viene immagazzinata l'energia. Quando il transistor è chiuso per un tempo Tp, l'energia accumulata nell'induttore viene trasferita al carico tramite il diodo VD. Il periodo di commutazione (conversione) è pari a T=Ti+Tn. Frequenza di commutazione (conversione) F=1/T. Il rapporto tra la durata dello stato aperto del transistor, al quale viene generato un impulso di tensione di durata Ti, e il periodo di commutazione T è chiamato duty cycle K3=Ti/T.
Pertanto, in uno stabilizzatore di impulsi, l'elemento di regolazione 1 converte (modula) la tensione continua di ingresso Ui in una serie di impulsi successivi di una certa durata e frequenza e un filtro di livellamento costituito da un diodo VD, un induttore L e un condensatore C li demodula in una tensione continua Uo. Quando la tensione di uscita Uo o la corrente di carico Rn cambiano nello stabilizzatore di impulsi utilizzando un circuito di retroazione costituito dall'elemento di misura 3 e dal circuito di controllo 2, la durata dell'impulso cambia in modo che la tensione di uscita Uo rimanga invariata (con un certo grado di precisione).
La modalità operativa a impulsi consente di ridurre significativamente le perdite nell'elemento di controllo e quindi aumentare l'efficienza della fonte di alimentazione, ridurne il peso e le dimensioni. Questo è il vantaggio principale degli stabilizzatori di impulsi rispetto agli stabilizzatori a compensazione continua.
Uno stabilizzatore parallelo di impulsi (tipo boost) è realizzato secondo lo schema a blocchi di Fig. 12.16, in cui l'elemento di comando 1 è collegato in parallelo al carico Rn. Quando il transistor di controllo è aperto, la corrente proveniente dalla fonte di alimentazione Ui scorre attraverso l'induttore L, immagazzinando energia al suo interno. Il diodo VD è in uno stato chiuso e quindi non consente al condensatore C di scaricarsi attraverso il transistor di controllo aperto. La corrente al carico durante questo periodo di tempo proviene solo dal condensatore C. Nel momento in cui il transistor di controllo si chiude, la fem di autoinduzione dell'induttore L viene sommata alla tensione di ingresso e l'energia dell'induttore viene trasferita al carico e la tensione di uscita è maggiore della tensione di alimentazione di ingresso Ui. A differenza del diagramma in Fig. 12.15 qui l'induttore non è un elemento filtrante e la tensione di uscita diventa maggiore della tensione di ingresso di un importo determinato dall'induttanza dell'induttore L e dal tempo di apertura del transistor di controllo (o dal duty cycle degli impulsi di controllo).
Circuito di controllo dello stabilizzatore in Fig. 12.16 è costruito in modo tale che, ad esempio, quando la tensione di alimentazione in ingresso Ui aumenta, la durata dello stato aperto del transistor di controllo diminuisce di un valore tale che la tensione di uscita Uo rimane invariata.
Lo stabilizzatore invertente parallelo di impulsi è realizzato secondo lo schema a blocchi mostrato in Fig. 12.17. A differenza del diagramma in Fig. 12.16 qui l'induttore L è collegato in parallelo al carico Rn e l'elemento di controllo 1 è collegato in serie con esso. Un diodo di blocco separa il condensatore di filtro C e il carico Rn dall'elemento di controllo DC. Lo stabilizzatore ha la proprietà di cambiare (invertire) la polarità della tensione di uscita Uo rispetto alla polarità della tensione di alimentazione in ingresso.
È possibile realizzare stabilizzatori di commutazione, a seconda del metodo di controllo del transistor di controllo modulazione dell'ampiezza dell'impulso(PWM), modulazione della frequenza degli impulsi (PFM) o controllo relè. Negli stabilizzatori PWM la durata dell'impulso Ti cambia durante il funzionamento, ma la frequenza di commutazione rimane invariata; negli stabilizzatori PFM la frequenza di commutazione cambia, ma la durata dell'impulso Ti rimane costante; Negli stabilizzatori a relè, nel processo di regolazione della tensione, cambiano sia la durata degli impulsi che la loro frequenza di ripetizione.
Il più utilizzato nella pratica è l'ISN sequenziale (Fig. 12.15), in cui l'induttanza di memorizzazione è anche un elemento del filtro LC di livellamento. Negli stabilizzatori di Fig. 12.16 e 12.17, l'induttore L non partecipa al livellamento dell'ondulazione della tensione di uscita. In questi schemi, il livellamento dell'ondulazione si ottiene solo aumentando la capacità del condensatore C, il che porta ad un aumento della massa e delle dimensioni del filtro e del dispositivo nel suo insieme.
Caratteristica di controllo statico determinata per lo stabilizzatore in Fig. 12.15 secondo la formula Uo/Ui=Kз (1 - Kg), è una linea retta, la cui pendenza dipende (senza tenere conto delle perdite nel transistor di controllo e nel diodo) dal rapporto tra le resistenze attive dell'induttore e il carico Kg=Rd/Rn. La tensione di carico Uo è determinata dalla durata relativa degli impulsi di controllo (a Ui costante) e non può essere maggiore della tensione di alimentazione, e la linearità di questa caratteristica corrisponde alle condizioni per il funzionamento stabile dell'ISN.
Consideriamo gli elementi principali dell'ISN in Fig. 12.15. Cominciamo con il blocco principale, il cui schema è mostrato in Fig. 12.18.
Il blocco comprende una parte di potenza e un elemento di regolazione sul transistor VT1, controllato da un interruttore sul transistor VT2 (il diodo VD2 serve a proteggere la giunzione di base VT2 su un grande negativo segnale di input gestione). La resistenza del resistore R1 viene selezionata dalla condizione che garantisce lo stato chiuso del transistor VT1 (100...900 Ohm) e R2 - approssimativamente dalla condizione kbUi=R2 Ikmax dove k=l,5...2 è il fattore di sicurezza della saturazione; b, Ikmax - fattore di amplificazione della corrente e corrente massima del collettore di impulsi del transistor VT1. La resistenza del resistore R3 viene selezionata in modo simile, ma nei calcoli Ui viene sostituita dall'ampiezza dell'impulso di controllo del generatore di funzioni. Si noti che quando si sceglie il numero di transistor RE, è possibile lasciarsi guidare dalle raccomandazioni fornite per il circuito in Fig. 12.12.
I dati iniziali per la scelta dei parametri del circuito in Fig. 12.18 sono:
tensione Ui e limiti della sua variazione; resistenza interna Ri della sorgente Ui; tensione di uscita nominale dello stabilizzatore Uo e limiti consentiti della sua regolazione; correnti di carico massime Inmax e minime Imin, ampiezza di ripple ammissibile della tensione di uscita dello stabilizzatore; coefficiente di stabilizzazione Kn e resistenza interna Ro; deviazione massima della temperatura della tensione Uo, ecc. La procedura per selezionare i parametri è la seguente:
1. Selezionare la frequenza di conversione F (fino a 100 kHz, per il modello - unità kilohertz) e prendere approssimativamente l'efficienza = 0,85...0,95.
2. Determinare i valori minimo e massimo della durata relativa (fattore di lavoro) dell'impulso di tensione all'ingresso del filtro:
3. Dalla condizione di mantenimento della modalità di continuità delle correnti dell'induttore, lo determiniamo
induttanza minima
4. Calcolare il prodotto LC dal valore dato della tensione di ondulazione U„
da dove poi troviamo la capacità del condensatore C.
Il prodotto LC determina non solo il livello di ondulazione, ma anche la natura dei transitori della tensione di uscita dopo l'accensione dello stabilizzatore.
Nella fig. La Figura 12.19 mostra i risultati della simulazione del circuito di Fig. 12.18 con i seguenti dati: F=1 kHz, K=0,5, Rn=100 Ohm, L=200 mH, C=100 µF (per Fig. 12.19, a) e C=1 µF (per Fig. 12.19, b) . Come si può vedere dalle figure, con un valore relativamente elevato del prodotto LC, la risposta transitoria del circuito in esame ha una natura oscillatoria, che porta a picchi di tensione in uscita, che possono essere pericolosi per il consumatore (carico).
Passiamo a considerare la prossima unità funzionale dell'ISN: il circuito di controllo e l'elemento di misurazione. In questo caso è opportuno considerare le caratteristiche dei modulatori utilizzati nell'ISN.
Gli stabilizzatori switching con PWM presentano i seguenti vantaggi rispetto agli stabilizzatori degli altri due tipi:
Alta efficienza e frequenza di conversione ottimale sono garantite indipendentemente dalla tensione della fonte di alimentazione primaria e dalla corrente di carico; la frequenza di ondulazione sul carico è costante, il che è significativo per un numero di consumatori di elettricità;
Viene realizzata la possibilità di sincronizzazione simultanea delle frequenze di conversione di un numero illimitato di ISN, eliminando così il rischio di battimenti di frequenza quando più ISN vengono alimentati da una fonte primaria comune di corrente continua. Inoltre, quando l'ISN funziona su un convertitore non regolato (ad esempio un amplificatore di potenza), è possibile sincronizzare le frequenze di entrambi i dispositivi.
Lo svantaggio di un ISN con PWM rispetto ad uno stabilizzatore di tipo relè è che è più complesso circuito di controllo, solitamente contenente un oscillatore principale aggiuntivo.
Gli stabilizzatori di impulsi con PFM, pur non presentando vantaggi significativi rispetto ad altri tipi di ISN, presentano i seguenti svantaggi:
О la complessità dell'implementazione dei regolatori di frequenza su un ampio intervallo, soprattutto con grandi variazioni nella tensione di alimentazione e nella corrente di carico;
Non è possibile realizzare i vantaggi sopra menzionati di un sistema di controllo PWM.
L'ultimo inconveniente si applica anche agli ISN a relè (o a due posizioni), che sono anche caratterizzati da un'ondulazione di tensione relativamente elevata sul carico (negli stabilizzatori con PWM o PWM, l'ondulazione della tensione di uscita può in linea di principio essere ridotta a zero, il che è impossibile da ottenere negli stabilizzatori a relè).
Nel caso generale, il blocco 3 (Fig. 12.20) contiene un partitore di tensione, una sorgente di tensione di riferimento ION, un elemento di confronto e un amplificatore di disadattamento. Questi elementi svolgono le stesse funzioni degli stabilizzatori compensativi. In un ISN con PWM a questi dispositivi vengono aggiunti un formatore di tensione di sincronizzazione (oscillatore master) e un dispositivo di soglia, con l'aiuto del quale vengono generati impulsi modulati in durata. La durata dell'impulso di controllo viene modificata modulando il suo fronte di salita o di discesa.
Quando il fronte anteriore è modulato, la tensione di sincronizzazione che varia linearmente aumenta in ciascun periodo, mentre quando il fronte posteriore modula, la tensione di controllo diminuisce in ciascun periodo. Quando si modulano i fronti, la tensione di sincronizzazione aumenta e diminuisce ad ogni periodo. Questo tipo di modulazione, rispetto alla modulazione unidirezionale, consente di realizzare ISN più veloci, poiché in questo caso il valore istantaneo della tensione di controllo influisce sulla formazione dei fronti.
Il coefficiente di trasmissione del circuito di controllo, che stabilisce la relazione tra le variazioni della durata relativa degli impulsi all'ingresso del filtro di livellamento e la tensione di carico (per PWM), è pari a
i rapporti di guadagno del partitore di tensione e dell'amplificatore di errore, rispettivamente; Uy è l'ampiezza della tensione di sincronizzazione.
Il circuito completo dell'ISN con elementi PWM è mostrato in Fig. 12.20. Il partitore di tensione è realizzato sui resistori R3, R4, la sorgente di tensione di riferimento è sul resistore R5 e sul diodo zener VD2, l'amplificatore del segnale di errore è su OU1, il dispositivo di soglia è su OU2. Poiché entrambi gli amplificatori operazionali sono alimentati da una sorgente unipolare, per abbinare i livelli nello stadio chiave su VT2, nel circuito dell'emettitore è incluso uno stabilizzatore parametrico (VD3, R8). Come master è stato utilizzato un generatore funzionale in modalità impulso triangolare; Quando si modula su un fronte di salita, il ciclo di lavoro viene selezionato al massimo (99%), quando si modula su un fronte di discesa - come minimo (0,1%), quando si modula su entrambi i fronti - 50%. Nella fig. La Figura 12.21 mostra il risultato della modellizzazione del processo di generazione degli impulsi di controllo durante la modulazione lungo il bordo anteriore.
Mostrato nella fig. 12.21 i risultati sono stati ottenuti a Rn = 100 Ohm e Ui = 20 V. Come si può vedere dalla Fig. 12.21, immediatamente dopo l'accensione del generatore, si formano impulsi di controllo della durata massima, quindi si verifica una lunga pausa a causa di un salto positivo nella tensione di uscita Uo, quindi la modalità forzata riprende a causa di un salto negativo in Uo. La modalità stazionaria della formazione degli impulsi di controllo avviene dopo diversi periodi del segnale di controllo dell'oscillatore principale.
Attività di prova
1. Per il circuito di Fig. 12.18 ottenere la dipendenza Uo=f(K,) a F=1 kHz, Uy=3 V (l'unipolarità degli impulsi rettangolari di controllo è garantita impostando la componente costante Offset=3 V sul generatore funzionale, il duty cycle K è impostato selezionando il parametro Duty cycle), Ui= 30 V, Rn=100 Ohm, L=100 mH, C=100 µF.
2. Per il circuito di Fig. 12.18, studia la dipendenza della forma dei processi transitori dalla resistenza di perdita attiva Rd, inclusa una resistenza di 0,1... 10 Ohm in serie con l'induttore.
3. Esaminare l'ISN secondo lo schema in Fig. 12.20 quando si modula il fronte di discesa, simultaneamente lungo il fronte di salita e di discesa e confrontare i risultati sul tempo in cui i dispositivi raggiungono lo stato stazionario.
4. Per ciascun metodo di generazione dei segnali di controllo in stato stazionario, ottenere la dipendenza del periodo di generazione dei segnali di controllo dalla resistenza di carico Rn nell'intervallo 10... 1000 Ohm e dalla tensione di ingresso Ui nell'intervallo 15.. .40 V.
Il funzionamento di quasi tutti i circuiti elettronici richiede la presenza di una o più sorgenti di tensione costante e nella stragrande maggioranza dei casi viene utilizzata una tensione stabilizzata. Gli alimentatori stabilizzati utilizzano stabilizzatori lineari o di commutazione. Ogni tipo di convertitore presenta i propri vantaggi e, di conseguenza, la propria nicchia nei circuiti di alimentazione. Gli indubbi vantaggi degli stabilizzatori di commutazione includono valori di efficienza più elevati, la capacità di ottenere valori di corrente di uscita elevati e un'elevata efficienza con una grande differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita.
Il principio di funzionamento di uno stabilizzatore di impulsi buck
La Figura 1 mostra uno schema semplificato della sezione di potenza dell'IPSN.
Riso. 1.
Il transistor ad effetto di campo VT esegue la commutazione di corrente ad alta frequenza. Negli stabilizzatori di impulsi, il transistor funziona in modalità di commutazione, ovvero può trovarsi in uno dei due stati stabili: piena conduzione e interruzione. Di conseguenza, il funzionamento dell'IPSN consiste in due fasi alternate: la fase di pompaggio dell'energia (quando il transistor VT è aperto) e la fase di scarica (quando il transistor è chiuso). Il funzionamento dell'IPSN è illustrato nella Figura 2.
Riso. 2. Principio di funzionamento dell'IPSN: a) fase di pompaggio; b) fase di scarico; c) diagrammi temporali
La fase di pompaggio di energia continua per tutto l'intervallo di tempo T I. Durante questo tempo l'interruttore è chiuso e conduce la corrente I VT. Successivamente, la corrente passa attraverso l'induttore L al carico R, deviata dal condensatore di uscita C OUT. Nella prima parte della fase il condensatore fornisce la corrente I C al carico e nella seconda metà preleva parte della corrente I L dal carico. L'entità della corrente I L aumenta continuamente e l'energia viene accumulata nell'induttore L e nella seconda parte della fase - sul condensatore C OUT. La tensione sul diodo V D è uguale a U IN (meno la caduta di tensione sul transistor aperto) e durante questa fase il diodo è chiuso: non scorre corrente attraverso di esso. La corrente I R che scorre attraverso il carico R è costante (la differenza I L - I C), di conseguenza anche la tensione U OUT in uscita è costante.
La fase di scarica avviene durante il tempo TP: l'interruttore è aperto e non vi scorre corrente. È noto che la corrente che scorre attraverso l'induttore non può cambiare istantaneamente. La corrente IL, in costante diminuzione, attraversa il carico e si chiude attraverso il diodo V D. Nella prima parte di questa fase il condensatore C OUT continua ad accumulare energia prelevando parte della corrente I L dal carico. Nella seconda metà della fase di scarica, anche il condensatore inizia a fornire corrente al carico. Durante questa fase anche la corrente I R che circola nel carico è costante. Pertanto, anche la tensione di uscita è stabile.
Impostazioni principali
Innanzitutto notiamo che, in base alla loro progettazione funzionale, distinguono tra IPSN con tensione di uscita regolabile e fissa. I circuiti di commutazione tipici per entrambi i tipi di IPSN sono presentati nella Figura 3. La differenza tra loro è che nel primo caso il partitore resistivo, che determina il valore della tensione di uscita, si trova all'esterno del circuito integrato e nel secondo dentro. Di conseguenza, nel primo caso, il valore della tensione di uscita viene impostato dall'utente e nel secondo viene impostato durante la fabbricazione del microcircuito.
Riso. 3. Circuito di commutazione tipico per IPSN: a) con tensione di uscita regolabile eb) con tensione di uscita fissa
I parametri più importanti di IPSN includono:
- Intervallo di valori consentiti della tensione di ingresso U IN_MIN…U IN_MAX.
- Il valore massimo della corrente di uscita (corrente di carico) I OUT_MAX.
- Valore nominale della tensione di uscita U OUT (per IPSN con valore di tensione di uscita fisso) o intervallo di valori di tensione di uscita U OUT_MIN ...U OUT_MAX (per IPSN con valore di tensione di uscita regolabile). Spesso i materiali di riferimento indicano che il valore massimo della tensione di uscita U OUT_MAX è uguale al valore massimo della tensione di ingresso U IN_MAX. In realtà questo non è del tutto vero. In ogni caso, la tensione di uscita è inferiore alla tensione di ingresso, almeno per l'entità della caduta di tensione sul transistor chiave U DROP. Con un valore di corrente di uscita pari, ad esempio, a 3 A, il valore di U DROP sarà 0,1...1,0 V (a seconda del microcircuito IPSN selezionato). L'uguaglianza approssimativa di U OUT_MAX e U IN_MAX è possibile solo con valori di corrente di carico molto bassi. Si noti inoltre che il processo di stabilizzazione della tensione di uscita comporta una perdita di diversi punti percentuali della tensione di ingresso. L'uguaglianza dichiarata di U OUT_MAX e U IN_MAX va intesa solo nel senso che non esistono altri motivi per ridurre U OUT_MAX oltre a quelli sopra indicati in un prodotto specifico (in particolare, non esistono restrizioni esplicite sul valore massimo del fattore di riempimento D). Il valore della tensione di feedback U FB è solitamente indicato come U OUT_MIN. In realtà U OUT_MIN dovrebbe essere sempre più alto di parecchi punti percentuali (per gli stessi motivi di stabilizzazione).
- Precisione dell'impostazione della tensione di uscita. Impostato in percentuale. Ha senso solo nel caso di IPSN con un valore di tensione di uscita fisso, poiché in questo caso i resistori del divisore di tensione si trovano all'interno del microcircuito e la loro precisione è un parametro controllato durante la produzione. Nel caso di IPSN con valore di tensione di uscita regolabile, il parametro perde il suo significato, poiché la precisione dei resistori divisori è selezionata dall'utente. In questo caso, possiamo solo parlare dell'entità delle fluttuazioni della tensione di uscita rispetto a un determinato valore medio (la precisione del segnale di feedback). Ricordiamo che in ogni caso questo parametro per la commutazione degli stabilizzatori di tensione è 3...5 volte peggiore rispetto agli stabilizzatori lineari.
- Caduta di tensione sul transistor aperto R DS_ON. Come già notato, questo parametro è associato ad un'inevitabile diminuzione della tensione di uscita rispetto alla tensione di ingresso. Ma qualcos'altro è più importante: maggiore è il valore di resistenza del canale aperto, maggiore è l'energia dissipata sotto forma di calore. Per i moderni microcircuiti IPSN, i valori fino a 300 mOhm sono un buon valore. Valori più alti sono tipici per i chip sviluppati almeno cinque anni fa. Si noti inoltre che il valore di R DS_ON non è una costante, ma dipende dal valore della corrente di uscita I OUT.
- Durata del ciclo di lavoro T e frequenza di commutazione F SW. La durata del ciclo di lavoro T è determinata come somma degli intervalli T I (durata dell'impulso) e T P (durata della pausa). Pertanto la frequenza F SW è il reciproco della durata del ciclo operativo. Per alcune parti dell'IPSN, la frequenza di commutazione è un valore costante determinato dagli elementi interni del circuito integrato. Per un'altra parte dell'IPSN, la frequenza di commutazione è impostata da elementi esterni (solitamente un circuito RC esterno), in questo caso viene determinato l'intervallo di frequenze consentite F SW_MIN ... F SW_MAX. Una frequenza di commutazione più elevata consente l'utilizzo di induttanze con un valore di induttanza inferiore, che ha un effetto positivo sia sulle dimensioni del prodotto che sul suo prezzo. La maggior parte degli ISPS utilizza il controllo PWM, ovvero il valore T è costante e durante il processo di stabilizzazione viene regolato il valore T I. La modulazione della frequenza degli impulsi (controllo PFM) viene utilizzata molto meno frequentemente. In questo caso, il valore di T I è costante e la stabilizzazione viene effettuata modificando la durata della pausa T P. Pertanto, i valori di T e, di conseguenza, F SW diventano variabili. Nei materiali di riferimento in questo caso, di norma, viene impostata una frequenza corrispondente a un ciclo di lavoro pari a 2. Si noti che l'intervallo di frequenza F SW_MIN ...F SW_MAX di una frequenza regolabile dovrebbe essere distinto dal cancello di tolleranza per un valore fisso frequenza, poiché il valore di tolleranza è spesso indicato nel produttore dei materiali di riferimento.
- Fattore di servizio D, che è uguale alla percentuale
il rapporto tra T I e T. I materiali di riferimento spesso indicano “fino al 100%”. Ovviamente questa è un'esagerazione, poiché se il transistor della chiave è costantemente aperto, non avviene alcun processo di stabilizzazione. Nella maggior parte dei modelli immessi sul mercato prima del 2005 circa, a causa di una serie di limitazioni tecnologiche, il valore di questo coefficiente era limitato al di sopra del 90%. Nei moderni modelli IPSN, la maggior parte di queste limitazioni sono state superate, ma la frase “fino al 100%” non dovrebbe essere presa alla lettera. - Fattore di efficienza (o efficienza). Come è noto, per gli stabilizzatori lineari (fondamentalmente step-down) questo è il rapporto percentuale tra la tensione di uscita e quella di ingresso, poiché i valori della corrente di ingresso e di uscita sono quasi uguali. Per gli stabilizzatori di commutazione, le correnti di ingresso e di uscita possono differire in modo significativo, quindi il rapporto percentuale tra potenza di uscita e potenza di ingresso viene considerato come efficienza. A rigor di termini, per lo stesso microcircuito IPSN, il valore di questo coefficiente può differire in modo significativo a seconda del rapporto tra le tensioni di ingresso e di uscita, la quantità di corrente nel carico e la frequenza di commutazione. Per la maggior parte degli IPSN, la massima efficienza si ottiene con un valore di corrente di carico dell'ordine del 20...30% del valore massimo consentito, quindi il valore numerico non è molto informativo. È più consigliabile utilizzare i grafici di dipendenza forniti nei materiali di riferimento del produttore. La Figura 4 mostra i grafici di efficienza per uno stabilizzatore come esempio. . Ovviamente, utilizzare uno stabilizzatore ad alta tensione a bassi valori effettivi della tensione di ingresso non è una buona soluzione, poiché il valore di efficienza diminuisce notevolmente quando la corrente di carico si avvicina al suo valore massimo. Il secondo gruppo di grafici illustra la modalità più preferibile, poiché il valore di efficienza dipende debolmente dalle fluttuazioni della corrente di uscita. Il criterio per la scelta corretta di un convertitore non è tanto il valore numerico dell'efficienza, ma piuttosto la regolarità del grafico della funzione della corrente nel carico (l'assenza di un “blocco” nella regione delle correnti elevate ).
Riso. 4.
L'elenco fornito non esaurisce l'intero elenco dei parametri IPSN. In letteratura si possono trovare parametri meno significativi.
Caratteristiche speciali
stabilizzatori di tensione a impulsi
Nella maggior parte dei casi, gli IPSN dispongono di una serie di funzioni aggiuntive che ampliano le possibilità della loro applicazione pratica. I più comuni sono i seguenti:
- L'ingresso di spegnimento del carico “On/Off” o “Shutdown” consente di aprire il transistor della chiave e quindi scollegare la tensione dal carico. Di norma, viene utilizzato per il controllo remoto di un gruppo di stabilizzatori, implementando un determinato algoritmo per applicare e disattivare le singole tensioni nel sistema di alimentazione. Inoltre, può essere utilizzato come ingresso per lo spegnimento di emergenza in caso di emergenza.
- Uscita di stato normale “Power Good” è un segnale di uscita generalizzante che conferma che l'IPSN è in condizioni operative normali. Il livello del segnale attivo si forma dopo il completamento dei processi transitori dalla fornitura di tensione di ingresso e, di norma, viene utilizzato come segno della funzionalità dell'ISPN o per attivare il successivo ISPN nei sistemi di alimentazione seriale. I motivi per cui questo segnale può essere ripristinato: la tensione di ingresso scende al di sotto di un certo livello, la tensione di uscita supera un certo intervallo, il carico viene spento dal segnale di Shutdown, viene superato il valore massimo di corrente nel carico (in particolare, il fatto di un cortocircuito), spegnimento termico del carico e qualche altro. I fattori presi in considerazione durante la generazione di questo segnale dipendono dal modello IPSN specifico.
- Il pin di sincronizzazione esterno “Sync” offre la possibilità di sincronizzare l'oscillatore interno con un segnale di clock esterno. Utilizzato per organizzare la sincronizzazione congiunta di diversi stabilizzatori in sistemi di alimentazione complessi. Si noti che la frequenza del segnale di clock esterno non deve coincidere con la frequenza naturale del FSW, tuttavia deve rientrare nei limiti consentiti specificati nei materiali del produttore.
- La funzione Soft Start fornisce un aumento relativamente lento della tensione di uscita quando la tensione viene applicata all'ingresso dell'IPSN o quando il segnale di spegnimento viene attivato sul fronte di discesa. Questa funzione consente di ridurre i picchi di corrente nel carico quando il microcircuito è acceso. I parametri operativi del circuito di avvio graduale sono spesso fissi e determinati dai componenti interni dello stabilizzatore. Alcuni modelli IPSN dispongono di una speciale uscita Soft Start. In questo caso, i parametri di avvio sono determinati dai valori nominali degli elementi esterni (resistore, condensatore, circuito RC) collegati a questo pin.
- La protezione della temperatura è progettata per prevenire guasti al chip se il cristallo si surriscalda. Un aumento della temperatura del cristallo (indipendentemente dal motivo) al di sopra di un certo livello attiva un meccanismo di protezione: una diminuzione della corrente nel carico o il suo completo spegnimento. Ciò impedisce un ulteriore aumento della temperatura dello stampo e danni al chip. Riportare il circuito alla modalità di stabilizzazione della tensione è possibile solo dopo che il microcircuito si è raffreddato. Si noti che la protezione termica è implementata nella stragrande maggioranza dei moderni microcircuiti IPSN, ma non viene fornita un'indicazione separata di questa particolare condizione. L'ingegnere dovrà indovinare da solo che il motivo dello spegnimento del carico è proprio il funzionamento della protezione termica.
- La protezione corrente consiste nel limitare la quantità di corrente che scorre attraverso il carico o nel disconnettere il carico. La protezione viene attivata se la resistenza di carico è troppo bassa (ad esempio, c'è un cortocircuito) e la corrente supera un determinato valore di soglia, che può portare al guasto del microcircuito. Come nel caso precedente, diagnosticare questa condizione è compito dell'ingegnere.
Un'ultima nota riguarda i parametri e le funzioni dell'IPSN. Nelle Figure 1 e 2 è presente un diodo a scarica V D. Negli stabilizzatori abbastanza vecchi, questo diodo è implementato proprio come un diodo al silicio esterno. Lo svantaggio di questa soluzione circuitale era l'elevata caduta di tensione (circa 0,6 V) attraverso il diodo nello stato aperto. I progetti successivi hanno utilizzato un diodo Schottky, che aveva una caduta di tensione di circa 0,3 V. Negli ultimi cinque anni, i progetti hanno utilizzato queste soluzioni solo per i convertitori ad alta tensione. Nella maggior parte dei prodotti moderni, il diodo di scarica è realizzato sotto forma di un transistor ad effetto di campo interno che funziona in antifase con il transistor chiave. In questo caso, la caduta di tensione è determinata dalla resistenza del canale aperto e con correnti di carico basse fornisce un guadagno aggiuntivo. Gli stabilizzatori che utilizzano questo disegno di circuito sono chiamati sincroni. Si prega di notare che la capacità di operare con un segnale di clock esterno e il termine “sincrono” non sono in alcun modo correlati.
con bassa tensione di ingresso
Considerando il fatto che nella gamma STMicroelectronics esistono circa 70 tipi di IPSN con transistor a chiave integrato, ha senso sistematizzare tutta la diversità. Se prendiamo come criterio un parametro come il valore massimo della tensione di ingresso, si possono distinguere quattro gruppi:
1. IPSN con bassa tensione di ingresso (6 V o meno);
2. IPSN con tensione di ingresso 10...28 V;
3. IPSN con tensione di ingresso 36…38 V;
4. IPSN con tensione di ingresso elevata (46 V e superiore).
I parametri degli stabilizzatori del primo gruppo sono riportati nella Tabella 1.
Tabella 1. IPSN con bassa tensione di ingresso
| Nome | Uscita corrente, A | Ingresso tensione, V |
Giorno libero tensione, V |
Efficienza,% | Frequenza di commutazione, kHz | Funzioni e flag | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IO FUORI | VIN | V FUORI | H | FSW | R DSON | Acceso spento | Sincronizzazione. Spillo |
Morbido Inizio |
Pow bene | |||
| Massimo | minimo | Massimo | minimo | Massimo | Massimo | Tipo | ||||||
| L6925D | 0,8 | 2,7 | 5,5 | 0,6 | 5,5 | 95 | 600 | 240 | + | + | + | + |
| L6926 | 0,8 | 2,0 | 5,5 | 0,6 | 5,5 | 95 | 600 | 240 | + | + | + | + |
| L6928 | 0,8 | 2,0 | 5,5 | 0,6 | 5,5 | 95 | 1450 | 240 | + | + | + | + |
| PM8903A | 3,0 | 2,8 | 6,0 | 0,6 | 6,0 | 96 | 1100 | 35 | + | + | + | + |
| ST1S06A | 1,5 | 2,7 | 6,0 | 0,8 | 5,0 | 92 | 1500 | 150 | + | – | + | – |
| ST1S09 | 2,0 | 4,5 | 5,5 | 0,8 | 5,0 | 95 | 1500 | 100 | * | – | + | + |
| ST1S12 | 0,7 | 2,5 | 5,5 | 0,6 | 5,0 | 92 | 1700 | 250 | + | + | – | |
| ST1S15 | 0,5 | 2,3 | 5,5 | Aggiustare. 1,82 e 2,8 V | 90 | 6000 | 350 | + | – | + | – | |
| ST1S30 | 3,0 | 2,7 | 6,0 | 0,8 | 5,0 | 85 | 1500 | 100 | * | – | + | + |
| ST1S31 | 3,0 | 2,8 | 5,5 | 0,8 | 5,5 | 95 | 1500 | 60 | + | – | + | – |
| ST1S32 | 4,0 | 2,8 | 5,5 | 0,8 | 5,5 | 95 | 1500 | 60 | + | – | + | – |
| * – la funzione non è disponibile per tutte le versioni. | ||||||||||||
Nel 2005 la linea di stabilizzatori di questo tipo era incompleta. Era limitato ai microcircuiti. Questi microcircuiti avevano buone caratteristiche: elevata precisione ed efficienza, nessuna restrizione sul valore del ciclo di lavoro, la capacità di regolare la frequenza quando si opera da un segnale di clock esterno e un valore RDSON accettabile. Tutto ciò rende questi prodotti richiesti oggi. Uno svantaggio significativo è la bassa corrente di uscita massima. Non c'erano stabilizzatori per correnti di carico di 1 A e superiori nella linea IPSN a bassa tensione di STMicroelectronics. Successivamente, questo divario è stato eliminato: prima sono comparsi gli stabilizzatori per 1,5 e 2 A ( e ), e negli ultimi anni - per 3 e 4 A ( , E ). Oltre ad aumentare la corrente di uscita, è aumentata la frequenza di commutazione e è diminuita la resistenza del canale aperto, il che ha un effetto positivo sulle proprietà di consumo dei prodotti finali. Notiamo anche l'emergere di microcircuiti IPSN con tensione di uscita fissa ( e ): non ci sono molti prodotti simili nella linea STMicroelectronics. L'ultimo arrivato, con un valore RDSON di 35 mOhm, è uno dei migliori del settore e, combinato con un'ampia funzionalità, promette buone prospettive per questo prodotto.
Il principale ambito di applicazione dei prodotti di questo tipo sono i dispositivi mobili alimentati a batteria. Un ampio intervallo di tensione in ingresso garantisce un funzionamento stabile dell'apparecchiatura a diversi livelli di carica della batteria e l'elevata efficienza riduce al minimo la conversione dell'energia in ingresso in calore. Quest'ultima circostanza determina i vantaggi della commutazione degli stabilizzatori rispetto a quelli lineari in quest'area delle applicazioni utente.
In generale, questo gruppo di STMicroelectronics si sta sviluppando in modo abbastanza dinamico: circa la metà dell'intera linea è apparsa sul mercato negli ultimi 3-4 anni.
Cambio degli stabilizzatori buck
con tensione di ingresso 10…28 V
I parametri dei convertitori di questo gruppo sono riportati nella Tabella 2.
Tavolo 2. IPSN con tensione di ingresso 10…28 V
| Nome | Uscita corrente, A | Ingresso tensione, V |
Giorno libero tensione, V |
Efficienza,% | Frequenza di commutazione, kHz | Resistenza del canale aperto, mOhm | Funzioni e flag | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IO FUORI | VIN | V FUORI | H | FSW | R DSON | Acceso spento | Sincronizzazione. Spillo |
Morbido Inizio |
Pow bene | |||
| Massimo | minimo | Massimo | minimo | Massimo | Massimo | Tipo | ||||||
| L5980 | 0,7 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5981 | 1,0 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5983 | 1,5 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5985 | 2,0 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5986 | 2,5 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5987 | 3,0 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 93 | 250…1000 | 140 | + | + | + | – |
| L5988D | 4,0 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 95 | 400…1000 | 120 | + | + | + | – |
| L5989D | 4,0 | 2,9 | 18,0 | 0,6 | 18,0 | 95 | 400…1000 | 120 | + | – | + | + |
| L7980 | 2,0 | 4,5 | 28,0 | 0,6 | 28,0 | 93 | 250…1000 | 160 | + | + | + | – |
| L7981 | 3,0 | 4,5 | 28,0 | 0,6 | 28,0 | 93 | 250…1000 | 160 | + | + | + | – |
| ST1CC40 | 2,0 | 3,0 | 18,0 | 0,1 | 18,0 | nd | 850 | 95 | + | – | + | – |
| ST1S03 | 1,5 | 2,7 | 16,0 | 0,8 | 12,0 | 79 | 1500 | 280 | – | – | + | – |
| ST1S10 | 3,0 | 2,7 | 18,0 | 0,8 | 16,0 | 95 | 900 | 120 | + | + | + | – |
| ST1S40 | 3,0 | 4,0 | 18,0 | 0,8 | 18,0 | 95 | 850 | 95 | + | – | + | – |
| ST1S41 | 4,0 | 4,0 | 18,0 | 0,8 | 18,0 | 95 | 850 | 95 | + | – | + | – |
| ST763AC | 0,5 | 3,3 | 11,0 | Aggiustare. 3.3 | 90 | 200 | 1000 | + | – | + | – | |
Otto anni fa questo gruppo era rappresentato solo dai microcircuiti , e con tensione di ingresso fino a 11 V. Il campo da 16 a 28 V è rimasto vuoto. Di tutte le modifiche elencate, solo , ma i parametri di questo IPSN corrispondono male ai requisiti moderni. Possiamo supporre che durante questo periodo la nomenclatura del gruppo in esame sia stata completamente aggiornata.
Attualmente, la base di questo gruppo sono i microcircuiti . Questa linea è progettata per l'intera gamma di correnti di carico da 0,7 a 4 A, fornisce una serie completa di funzioni speciali, la frequenza di commutazione è regolabile entro un intervallo abbastanza ampio, non ci sono restrizioni sul ciclo di lavoro, sull'efficienza e sull'apertura i valori di resistenza del canale soddisfano i requisiti moderni. Ci sono due svantaggi significativi in questa serie. Innanzitutto, non è presente alcun diodo di scarica integrato (ad eccezione dei microcircuiti con il suffisso D). La precisione della regolazione della tensione di uscita è piuttosto elevata (2%), ma la presenza di tre o più elementi esterni nel circuito di compensazione del feedback non può essere considerata un vantaggio. I microcircuiti differiscono dalla serie L598x solo per un diverso intervallo di tensione di ingresso, ma il design del circuito e, di conseguenza, i vantaggi e gli svantaggi sono simili alla famiglia L598x. Ad esempio, la Figura 5 mostra un tipico circuito di connessione per un microcircuito da tre amp. C'è anche un diodo di scarica D e elementi del circuito di compensazione R4, C4 e C5. Gli ingressi F SW e SYNCH rimangono liberi, pertanto il convertitore funziona da un oscillatore interno con la frequenza F SW predefinita.
Gli stabilizzatori lineari hanno uno svantaggio comune: bassa efficienza e elevata generazione di calore. I dispositivi potenti che creano corrente di carico su un ampio intervallo hanno dimensioni e peso significativi. Per compensare queste carenze, sono stati sviluppati e utilizzati stabilizzatori di impulsi.
Un dispositivo che mantiene una tensione costante su un consumatore corrente regolando un elemento elettronico che funziona in modalità chiave. Uno stabilizzatore di tensione di commutazione, proprio come uno lineare, esiste in serie e in parallelo. Il ruolo della chiave in tali modelli è svolto dai transistor.
Poiché il punto efficace del dispositivo di stabilizzazione si trova quasi costantemente nella regione di interruzione o saturazione, passando attraverso la regione attiva, nel transistor viene generato poco calore, pertanto lo stabilizzatore di impulsi ha un'elevata efficienza.
La stabilizzazione viene effettuata modificando la durata degli impulsi e controllandone la frequenza. Di conseguenza viene fatta una distinzione tra frequenza degli impulsi e, in altre parole, regolazione dell'ampiezza. Gli stabilizzatori di impulsi funzionano in modalità impulso combinato.
Nei dispositivi di stabilizzazione con controllo dell'ampiezza degli impulsi, la frequenza degli impulsi ha un valore costante e la durata degli impulsi è un valore variabile. Nei dispositivi con controllo della frequenza degli impulsi, la durata degli impulsi non cambia, cambia solo la frequenza.
All'uscita del dispositivo, la tensione si presenta sotto forma di increspature, di conseguenza non è adatta per alimentare il consumatore. Prima di fornire energia al carico del consumatore, è necessario equalizzarlo. Per fare ciò, all'uscita degli stabilizzatori di impulsi sono montati filtri capacitivi di livellamento. Sono disponibili in multi-link, a forma di L e altri.
La tensione media applicata al carico si calcola con la formula:
- Ti è la durata del periodo.
- ti – durata dell'impulso.
- Rн – valore della resistenza del consumatore, Ohm.
- I(t) – valore della corrente che passa attraverso il carico, ampere.
La corrente potrebbe smettere di fluire attraverso il filtro all'inizio dell'impulso successivo, a seconda dell'induttanza. In questo caso stiamo parlando sulla modalità di funzionamento con corrente alternata. La corrente può anche continuare a circolare, il che significa funzionamento con corrente continua.
Con una maggiore sensibilità del carico agli impulsi di potenza, viene eseguita la modalità CC, nonostante perdite significative nell'avvolgimento e nei fili dell'induttore. Se la dimensione degli impulsi all'uscita del dispositivo è insignificante, si consiglia il funzionamento con corrente alternata.
Principio di funzionamento
In generale, uno stabilizzatore di impulsi comprende un convertitore di impulsi con un dispositivo di regolazione, un generatore, un filtro equalizzatore che riduce gli impulsi di tensione in uscita e un dispositivo di confronto che fornisce un segnale della differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita.
Nella figura è mostrato uno schema delle parti principali dello stabilizzatore di tensione.
La tensione all'uscita del dispositivo viene fornita a un dispositivo di confronto con la tensione di base. Il risultato è un segnale proporzionale. Viene fornito al generatore, dopo averlo precedentemente amplificato.
Quando controllato in un generatore, il segnale analogico differenziale viene modificato in un'ondulazione con frequenza costante e durata variabile. Con il controllo della frequenza degli impulsi, la durata degli impulsi ha un valore costante. Cambia la frequenza degli impulsi del generatore in base alle proprietà del segnale.
Gli impulsi di controllo generati dal generatore passano agli elementi del convertitore. Il transistor di controllo funziona in modalità chiave. Modificando la frequenza o l'intervallo degli impulsi del generatore, è possibile modificare la tensione di carico. Il convertitore modifica il valore della tensione di uscita in base alle proprietà degli impulsi di controllo. Secondo la teoria, nei dispositivi con regolazione della frequenza e dell'ampiezza, gli impulsi di tensione sul consumatore potrebbero essere assenti.
Con il principio di funzionamento del relè, il segnale controllato dallo stabilizzatore viene generato tramite un trigger. Quando una tensione costante entra nel dispositivo, il transistor, che funge da interruttore, è aperto e aumenta la tensione di uscita. il dispositivo di confronto determina il segnale differenza che, avendo raggiunto un certo limite superiore, cambia lo stato del trigger e il transistor di controllo passa allo stato di interruzione.
La tensione di uscita inizierà a diminuire. Quando la tensione scende al limite inferiore, il dispositivo di confronto determina il segnale differenza, commutando nuovamente il trigger e il transistor andrà nuovamente in saturazione. La differenza potenziale nel carico del dispositivo aumenterà. Di conseguenza, con una stabilizzazione del tipo a relè, la tensione di uscita aumenta, equalizzandola. Il limite di trigger viene regolato regolando l'ampiezza del valore di tensione sul dispositivo di confronto.
Gli stabilizzatori di tipo relè hanno una maggiore velocità di risposta, a differenza dei dispositivi con controllo di frequenza e ampiezza. Questo è il loro vantaggio. In teoria, con una stabilizzazione di tipo relè, ci saranno sempre impulsi all'uscita del dispositivo. Questo è il loro svantaggio.
Aumenta lo stabilizzatore
I regolatori boost a commutazione vengono utilizzati con carichi la cui differenza di potenziale è superiore alla tensione all'ingresso dei dispositivi. Lo stabilizzatore non dispone di isolamento galvanico tra l'alimentazione e il carico. Gli stabilizzatori boost importati sono chiamati convertitori boost. Le parti principali di un tale dispositivo:
Il transistor entra in saturazione e la corrente scorre attraverso il circuito dal polo positivo attraverso l'induttore di accumulazione, il transistor. In questo caso, l'energia si accumula nel campo magnetico dell'induttore. La corrente di carico può essere creata solo mediante una scarica della capacità C1.
Spegniamo la tensione di commutazione dal transistor. Allo stesso tempo, entrerà nella posizione di interruzione e quindi sull'acceleratore apparirà un EMF di autoinduzione. Verrà commutato in serie con la tensione di ingresso e collegato tramite un diodo al consumatore. La corrente fluirà attraverso il circuito dal polo positivo all'induttore, attraverso il diodo e il carico.
In questo momento, il campo magnetico dell'induttanza induttiva fornisce energia e la capacità C1 riserva energia per mantenere la tensione sul consumatore dopo che il transistor è entrato in modalità saturazione. Lo starter serve per la riserva di energia e non funziona nel filtro di potenza. Quando la tensione viene nuovamente applicata al transistor, si aprirà e l'intero processo ricomincerà.
Stabilizzatori con grilletto Schmitt
Questo tipo dispositivo a impulsi ha le sue caratteristiche con il più piccolo insieme di componenti. Il grilletto gioca un ruolo importante nella progettazione. Include un comparatore. Il compito principale del comparatore è confrontare il valore della differenza di potenziale di uscita con il valore massimo consentito.
Il principio di funzionamento del dispositivo con grilletto Schmitt è che quando la tensione più alta aumenta, il grilletto viene portato nella posizione zero con l'apertura della chiave elettronica. Ad un certo punto l'acceleratore si scarica. Quando la tensione raggiunge il valore più basso, viene eseguita la commutazione di uno. Ciò garantisce che l'interruttore si chiuda e che la corrente fluisca verso l'integratore.
Tali dispositivi si distinguono per il loro circuito semplificato, ma possono essere utilizzati in casi particolari, poiché gli stabilizzatori di impulsi sono solo step-up e step-down.
Stabilizzatore Buck
Gli stabilizzatori di tipo a impulsi che funzionano con riduzione della tensione sono dispositivi di potenza compatti e potenti elettro-shock. Allo stesso tempo, hanno una bassa sensibilità alle interferenze del consumatore con una tensione costante dello stesso valore. Nei dispositivi step-down non è presente isolamento galvanico tra l'uscita e l'ingresso. I dispositivi importati sono chiamati chopper. La potenza di uscita in tali dispositivi è sempre inferiore alla tensione di ingresso. Il circuito di uno stabilizzatore di impulsi di tipo buck è mostrato in figura.
Colleghiamo la tensione per controllare la sorgente e il gate del transistor, che entrerà nella posizione di saturazione. Trasporterà la corrente attraverso il circuito dal polo positivo attraverso l'induttanza di equalizzazione e il carico. Nessuna corrente scorre attraverso il diodo nella direzione in avanti.
Spegniamo la tensione di controllo, che spegne il transistor della chiave. Successivamente, sarà nella posizione di cut-off. La fem indotta dell'induttanza di equalizzazione bloccherà il percorso per modificare la corrente che fluirà attraverso il circuito attraverso il carico dall'induttanza, secondo conduttore comune, diodo e arriverà di nuovo allo starter. La capacità C1 si scaricherà e manterrà la tensione in uscita.
Quando viene applicata una differenza di potenziale di sblocco tra la sorgente e il gate del transistor, andrà in modalità saturazione e l'intera catena si ripeterà di nuovo.
Stabilizzatore invertito
Gli stabilizzatori di commutazione di tipo invertito vengono utilizzati per collegare i consumatori con tensione costante, la cui polarità ha la direzione della polarità opposta alla differenza di potenziale all'uscita del dispositivo. Il suo valore può essere al di sopra della rete di alimentazione e al di sotto della rete, a seconda delle impostazioni dello stabilizzatore. Non esiste isolamento galvanico tra l'alimentazione e il carico. I dispositivi di tipo invertente importati sono chiamati convertitori buck-boost. La tensione di uscita di tali dispositivi è sempre inferiore.
Colleghiamo una differenza di potenziale di controllo, che aprirà il transistor tra la sorgente e il gate. Si aprirà e la corrente scorrerà attraverso il circuito dal polo positivo attraverso il transistor, l'induttore, al polo negativo. In questo processo, l'induttore riserva energia utilizzando il suo campo magnetico. Disattiviamo la differenza di potenziale di controllo dall'interruttore sul transistor, si chiuderà. La corrente fluirà dall'induttore attraverso il carico, il diodo e tornerà nella sua posizione originale. L'energia di riserva sul condensatore e sul campo magnetico verrà consumata dal carico. Applichiamo nuovamente l'alimentazione al transistor alla sorgente e al gate. Il transistor si saturerà nuovamente e il processo si ripeterà.
Vantaggi e svantaggi
Come tutti i dispositivi, uno stabilizzatore di commutazione modulare non è l'ideale. Pertanto, ha i suoi pro e contro. Vediamo i principali vantaggi:
- Ottieni facilmente l'allineamento.
- Connessione fluida.
- Dimensioni compatte.
- Stabilità della tensione di uscita.
- Ampio intervallo di stabilizzazione.
- Maggiore efficienza.
Svantaggi del dispositivo:
- Progettazione complessa.
- Esistono molti componenti specifici che riducono l'affidabilità del dispositivo.
- La necessità di utilizzare dispositivi di compensazione della potenza.
- Difficoltà nel lavoro di riparazione.
- Formazione scolastica grande quantità interferenza di frequenza.
Frequenza consentita
Il funzionamento di uno stabilizzatore di impulsi è possibile con una frequenza di conversione significativa. Questo è il principale caratteristica distintiva da dispositivi dotati di trasformatore di rete. Aumentando questo parametro è possibile ottenere dimensioni più piccole.
Per la maggior parte dei dispositivi, la gamma di frequenza sarà compresa tra 20 e 80 kilohertz. Ma quando si scelgono PWM e dispositivi chiave, è necessario tenere conto delle armoniche di corrente elevata. Il limite superiore del parametro è limitato da determinati requisiti che si applicano ai dispositivi a radiofrequenza.
