Reguladores de tensão de comutação

Nos reguladores de tensão de pulso (conversores), o elemento ativo (geralmente um transistor de efeito de campo) opera no modo de pulso: a chave de controle abre e fecha alternadamente, fornecendo a tensão de alimentação com pulsos ao elemento acumulador de energia. Como resultado, os pulsos de corrente são alimentados por uma bobina (ou por um transformador, dependendo da topologia de um determinado regulador de comutação), que muitas vezes atua como um elemento que acumula, converte e libera energia no circuito de carga.

Os pulsos têm certos parâmetros de tempo: eles seguem com uma certa frequência e têm uma certa duração. Esses parâmetros dependem do tamanho da carga que é atualmente fornecida pelo estabilizador, pois é a corrente média do indutor que carrega o capacitor de saída e realmente alimenta a carga conectada a ele.

Na estrutura de um estabilizador de pulso, três unidades funcionais principais podem ser distinguidas: um interruptor, um dispositivo de armazenamento de energia e um circuito de controle.Os dois primeiros nós formam uma seção de potência, que, junto com o terceiro, forma um circuito completo de conversão de tensão. Às vezes, a chave pode ser feita no mesmo alojamento do circuito de controle.

Assim, o trabalho do conversor de pulso é feito devido ao fechamento e abertura chave eletrônica… Quando a chave é fechada, o dispositivo de armazenamento de energia (choke) é conectado à fonte de energia e armazena energia e, quando é aberto, o dispositivo de armazenamento é desconectado da fonte e imediatamente conectado ao circuito de carga, após o que a energia é transferido para o capacitor do filtro e para a carga.

Como resultado, um determinado valor médio da tensão atua na carga, que depende da duração e frequência de repetição dos pulsos de controle. A corrente depende da carga, cujo valor não deve exceder o limite permitido para este conversor.

PWM e PWM

O princípio de estabilização da tensão de saída do conversor de pulso é baseado em uma comparação contínua da tensão de saída com a tensão de referência e, dependendo da discrepância dessas tensões, o circuito de controle restaura automaticamente a relação entre a duração da abertura e estados fechados da chave (altera a largura dos pulsos de controle com modulação por largura de pulso - PWM) ou altera a taxa de repetição desses pulsos, mantendo sua duração constante (por meio de modulação de frequência de pulso — PFM). A tensão de saída geralmente é medida com um divisor resistivo.

Suponha que a tensão de saída sob carga em algum ponto diminua, tornando-se menor que a nominal.Nesse caso, o controlador PWM aumentará automaticamente a largura de pulso, ou seja, os processos de armazenamento de energia na bobina se tornarão mais longos e, consequentemente, mais energia será transferida para a carga. Como resultado, a tensão de saída retornará ao nominal.

Se a estabilização funcionar de acordo com o princípio do PFM, com uma diminuição na tensão de saída sob carga, a taxa de repetição do pulso aumentará. Como resultado, mais partes de energia serão transferidas para a carga e a tensão será igual à nominal exigida. Aqui seria apropriado dizer que a razão da duração do estado fechado do interruptor para a soma da duração de seus estados fechado e aberto é o chamado ciclo de trabalho DC.

Em geral, os conversores de pulso estão disponíveis com e sem isolação galvânica.Neste artigo veremos os circuitos básicos sem isolação galvânica: conversores boost, buck e inversores. Nas fórmulas, Vin é a tensão de entrada, Vout é a tensão de saída e DC é o ciclo de trabalho.

Conversor buck não isolado galvanicamente - conversor buck ou conversor abaixador

A tecla T fecha. Quando a chave é fechada, o diodo D é bloqueado, a corrente flui acelerador L e através da carga R começa a aumentar. A chave abre. Quando a chave é aberta, a corrente pela bobina e pela carga, embora diminua, continua fluindo, pois não pode desaparecer instantaneamente, só que agora o circuito é fechado não pela chave, mas pelo diodo que se abriu.

O interruptor fecha novamente.Se durante o tempo em que a chave estava aberta, a corrente na bobina não teve tempo de cair para zero, agora ela aumenta novamente, então, através da bobina e da carga, ela atua o tempo todo corrente pulsante (se não houvesse capacitor). O capacitor suaviza as ondulações de modo que a corrente de carga seja quase constante.

A tensão de saída em um conversor desse tipo é sempre menor que a tensão de entrada, que aqui é praticamente dividida entre a bobina e a carga. Seu valor teórico (para um conversor ideal - desconsiderando as perdas do interruptor e do diodo) pode ser encontrado usando a seguinte fórmula:

Conversor boost sem isolamento galvânico - conversor boost

A chave T está fechada. Quando a chave é fechada, o diodo D é fechado, a corrente através do indutor L começa a aumentar. A chave abre. A corrente continua a fluir através do indutor, mas agora através de um diodo aberto e a tensão através do indutor é adicionada à tensão da fonte. A tensão constante na carga R é mantida pelo capacitor C.

O interruptor se fecha, a corrente de estrangulamento sobe novamente. A tensão de saída de um conversor desse tipo é sempre maior que a tensão de entrada porque a tensão no indutor é somada à tensão da fonte. O valor teórico da tensão de saída (para um conversor ideal) pode ser encontrado usando a fórmula:

Conversor inversor sem isolamento galvânico-buck-boost-conversor

A chave T está fechada. Choke L armazena energia, diodo D é fechado. A chave está aberta - a bobina energiza o capacitor C e a carga R. A tensão de saída aqui tem polaridade negativa.Seu valor pode ser encontrado (para o caso ideal) pela fórmula:

Ao contrário dos estabilizadores lineares, os estabilizadores de comutação têm maior eficiência devido ao menor aquecimento dos elementos ativos e, portanto, requerem uma área de radiador menor. As desvantagens típicas dos estabilizadores de comutação são a presença de ruído de impulso nos circuitos de saída e entrada, bem como transientes mais longos.