być regulator przełączający , ten obwód jest bardzo wydajny i nie marnuje ani nie rozprasza energii, w przeciwieństwie do regulatorów liniowych, takich jak IC 7812, IC LM317 lub IC LM338.
Dlaczego regulatory liniowe, takie jak 7812, LM317 i LM338, są złymi konwerterami obniżającymi napięcie?
Regulatory liniowe, takie jak 7812 i LM317, są uważane za nieefektywne przetwornice obniżające napięcie ze względu na ich charakterystykę operacyjną.
W regulatorze liniowym nadmiar napięcia wejściowego ulega rozproszeniu w postaci ciepła. Oznacza to, że spadek napięcia między zaciskami wejściowymi i wyjściowymi jest po prostu „wypalany” jako marnowana energia. Liniowy regulator działa na zasadzie zmiennego rezystora, dostosowując swoją rezystancję w celu rozproszenia nadwyżki energii i regulacji napięcia wyjściowego.
Ten proces rozpraszania prowadzi do znacznych strat mocy i niskiej sprawności. Sprawność regulatora liniowego określa stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej. Wraz ze wzrostem różnicy napięć wejściowych i wyjściowych wzrasta również moc rozpraszana w postaci ciepła, która jest różnicą napięcia pomnożoną przez prąd wyjściowy. W konsekwencji wydajność maleje wraz ze wzrostem różnicy napięć między wejściem a wyjściem.
Na przykład przy użyciu regulatora liniowego do regulacji napięcia wejściowego 24 V do 12 V nadmiar 12 V jest rozpraszany w postaci ciepła. Może to spowodować znaczne straty mocy i wymagać dodatkowych mechanizmów chłodzenia w zastosowaniach wymagających dużej mocy.
Natomiast regulatory przełączające (takie jak np przetwornice złotówki ) są bardziej wydajne w przypadku konwersji obniżającej napięcie. Wykorzystują kombinację cewek indukcyjnych, kondensatorów i przełączników w celu wydajnej konwersji napięcia.
Regulatory przełączające magazynują energię podczas jednej fazy cyklu przełączania i dostarczają ją podczas innej, minimalizując w ten sposób rozpraszanie energii w postaci ciepła. W zależności od konkretnej konstrukcji, regulatory przełączające mogą osiągnąć sprawność w zakresie od 80-95% lub nawet wyższą.
Podsumowując, chociaż regulatory liniowe, takie jak 7812 i LM317, są proste i ekonomiczne, nie są najskuteczniejszym wyborem do konwersji obniżającej napięcie, gdy istotnym problemem jest wydajność energetyczna.
Opis obwodu
Poniższy rysunek przedstawia podstawowy schemat przetwornicy 24 V na 12 V.
Zastosowany regulator przełączania to popularny model firmy Motorola: µA78S40.
Poniższy rysunek przedstawia wewnętrzną strukturę tego układu scalonego, który zawiera różne niezbędne elementy regulatora przełączającego: oscylator, przerzutnik, komparator, źródło odniesienia napięcia, sterownik i tranzystory przełączające.
Dodatkowo dostępny jest wzmacniacz operacyjny, który nie jest potrzebny do tego zastosowania. Filtrowaniem i wygładzaniem zasilania zajmują się kondensatory od C3 do C7.
Kondensator C1 określa częstotliwość oscylatora, podczas gdy rezystory R1, R5 i R6 pomagają ograniczyć prąd wyjściowy przetwornicy.
Napięcie na rezystorze R1 jest proporcjonalne do prądu dostarczanego przez przetwornicę.
Ustawiając różnicę napięcia około 0,3 V między pinami 13 i 14 µA78S40, rezystory R6 i R7 tworzą dzielnik napięcia, umożliwiając ograniczenie prądu do około 5 A.
Źródło odniesienia napięcia, odsprzęgane przez kondensator C2, jest dostępne na styku 8 układu IC1.
To napięcie odniesienia jest przykładane do nieodwracającego wejścia wewnętrznego komparatora IC1. Wejście odwracające ustawione jest na potencjał proporcjonalny do napięcia wyjściowego przekształtnika.
Aby utrzymać stałe napięcie wyjściowe, komparator steruje stopniem wyjściowym IC1.
Oba wejścia komparatora utrzymywane są na tym samym potencjale, a napięcie wyjściowe wyraża się wzorem:
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].
Regulowany rezystor Aj1 pozwala na regulację napięcia wyjściowego przetwornicy w zakresie od +10V do +15V.
Dwa tranzystory wyjściowe tworzą parę Darlingtona, a ich kolejne przełączanie jest kontrolowane przez przerzutnik zsynchronizowany z oscylacjami kondensatora C1.
W połączeniu z bramką AND, ten przerzutnik jest kontrolowany przez komparator w celu dostosowania czasu przewodzenia stopnia wyjściowego µA78S40 i utrzymania stałego napięcia wyjściowego.
Stan nasycenia lub zablokowania tranzystora T1 jest zgodny ze stanem pary Darlingtona w IC1. Gdy stopień wyjściowy układu IC1 jest nasycony, tranzystor T1 jest spolaryzowany, a jego prąd bazowy jest ograniczany przez rezystor R2.
Rezystor R3 wraz z rezystorem R9 tworzy dzielnik napięcia, ograniczający napięcie VBE tranzystora T1 na początku procesu przełączania.
Tranzystor T1, działając jak model Darlingtona, zachowuje się jak otwarty lub zamknięty przełącznik przy częstotliwości oscylatora µA78S40.
Cewka indukcyjna L1 pozwala na obniżenie napięcia z 24V do 12V wykorzystując właściwości indukcyjności. W stanie ustalonym, gdy tranzystor T1 jest nasycony, na cewkę indukcyjną L1 przykładane jest napięcie +12V.
Podczas tej fazy indukcyjność magazynuje energię, którą uwalnia, gdy przyłożone napięcie zanika. Tak więc, gdy tranzystor T1 jest zablokowany, cewka indukcyjna L1 ma tendencję do utrzymywania przepływającego przez nią prądu.
Dioda D1 zaczyna przewodzić, a na cewce indukcyjnej L1 pojawia się przeciwelektromotoryczna siła -12V.
