Skiftespændingsstabilisator ( nøglespændingsstabilisator , navnene bruges også pulsomformer , skiftende strømforsyning ) - spændingsstabilisator , hvor reguleringselementet ( tasten ) fungerer i en pulseret tilstand [1] , det vil sige, at reguleringselementet periodisk åbner og lukker.
Energien fra den primære strømkilde transmitteres gennem reguleringselementet i visse dele, givet af kontrolsløjfen, således at den gennemsnitlige værdi af udgangsspændingen er stabil. Udjævningen af udgangsspændingens krusninger opstår på grund af tilstedeværelsen af et element (eller en kombination af elementer), der er i stand til at akkumulere elektrisk energi og levere den til belastningen.
Skiftspændingsstabilisator sammenlignet med en lineær stabilisator har lavere energitab til opvarmning af reguleringselementet, hvilket øger effektiviteten af stabilisatoren og tillader brugen af et lavere effektreguleringselement og en radiator med mindre størrelse og vægt.
Fordele:
Fejl:
Skiftende spændingsstabilisator er et automatisk styresystem . Indstillingsparameteren for kontrolsløjfen er referencespændingen , som sammenlignes med stabilisatorens udgangsspænding. Afhængigt af fejlsignalet ændrer styreenheden forholdet mellem varigheden af nøglens åbne og lukkede tilstand.
I de nedenfor præsenterede blokdiagrammer kan der skelnes mellem tre funktionelle enheder: en nøgle (1), en energilagringsenhed (2) (nogle gange kaldet et filter [7] ) og et styrekredsløb. I dette tilfælde danner kontakten (1) og energilagerenheden (2) tilsammen effektdelen [8] af spændingsstabilisatoren , som sammen med styrekredsløbet danner en styrekreds. Der er tre skemaer i henhold til typen af styrekredsløb.
En spændingsstabilisator med en Schmitt-trigger kaldes også en relæ- eller on-off regulator [9] . I den sammenlignes udgangsspændingen med de nedre og øvre Schmitt-triggertærskler (4 og 3) ved hjælp af en komparator (4), som normalt er inputdelen af Schmitt-triggeren. Når tasten (1) er lukket, tilføres indgangsspændingen til energilagringsenheden (2), udgangsspændingen stiger, og efter at have nået den øvre tærskel U max , skifter Schmitt-udløseren til den tilstand, der åbner nøglen (1) ). Den akkumulerede energi forbruges i belastningen, mens spændingen ved udgangen af stabilisatoren falder, og efter at have nået den nedre tærskel U min skifter Schmitt-udløseren til den tilstand, der lukker kontakten. Yderligere gentages den beskrevne proces periodisk. Som et resultat dannes en pulserende spænding ved udgangen , hvis krusningsamplitude afhænger af forskellen i tærsklerne for Schmitt-udløseren.
En sådan stabilisator er kendetegnet ved en relativt stor, fundamentalt ikke-aftagelig spændingsrippel ved belastningen og en variabel konverteringsfrekvens, afhængig af både indgangsspændingen og belastningsstrømmen [10] .
Som i det foregående diagram er energilagringsanordningen (2) under drift enten forbundet til indgangsspændingen eller overfører den akkumulerede energi til belastningen. Som følge heraf har udgangen en vis gennemsnitlig spændingsværdi, som afhænger af indgangsspændingen og driftscyklussen [11] for nøglestyringsimpulserne (1). Subtraktor-forstærkeren på operationsforstærkeren (4) sammenligner udgangsspændingen med referencespændingen (6) og forstærker forskellen, der tilføres modulatoren (3). Hvis udgangsspændingen er mindre end referencen, øger modulatoren forholdet mellem tiden for nøglens åbne tilstand og urgeneratorens (5) periode. Når indgangsspændingen eller belastningsstrømmen ændres, ændres driftscyklussen for nøglestyringsimpulserne på en sådan måde, at der sikres den mindste forskel mellem udgangs- og referencespændingen.
I en sådan stabilisator afhænger konverteringsfrekvensen ikke af indgangsspændingen og belastningsstrømmen og bestemmes af frekvensen af clockgeneratoren [10] .
Med denne kontrolmetode har pulsen, der åbner nøglen, en konstant varighed, og pulsgentagelseshastigheden afhænger af mismatchsignalet mellem reference- og udgangsspændingen. Når belastningsstrømmen stiger eller indgangsspændingen falder, stiger frekvensen. Nøglen kan styres for eksempel ved hjælp af en monostabil multivibrator (enkelt vibrator) med en styret triggerfrekvens.
I henhold til strømkredsløbsdiagrammet opdeles omskiftningsstabilisatorer normalt i tre hovedtyper: step-down, step-up og inverting [8] . En sådan opdeling har især udviklet sig i den indenlandske tekniske litteratur [12] .
Nogle forfattere, der betragter kredsløb af pulserende jævnspændingsomformere i al deres mangfoldighed, viser, at antallet af elementære basiskredsløb af konverteren kan reduceres til to [13] - step-down type og step-up type. Det bemærkes også, at andre kredsløb i en pulserende spændingsomformer (inklusive en inverterende konverter [14] ) kan opnås ved at kaskadekoble disse to grundlæggende kredsløb [15][16] .
I nedenstående kredsløb kan en felteffekttransistor , en bipolær transistor eller en tyristor bruges som nøgle S , nøglekontrolkredsløbet er ikke vist for overskuelighedens skyld. Forholdet mellem tiden for nøglens lukkede tilstand og summen af varigheden af den lukkede og åbne tilstand kaldes duty cycle (eller duty cycle ) [2] .
Navne i engelsk litteratur - buck converter (step-down converter) . Hvis kontakten S er lukket, er dioden D lukket, og en stigende strøm løber gennem induktoren L fra kilden . Når kontakten åbnes, begynder induktorstrømmen, som ikke kan ændre sig øjeblikkeligt, at strømme gennem dioden D , mens strømmen falder. Med tilstrækkelig induktans har induktorstrømmen ikke tid til at falde til nul ved begyndelsen af den næste cyklus (kontinuerlig strømtilstand) og har en pulserende karakter . Derfor, selv i fravær af en kondensator C , vil spændingen over belastningen R have samme karakter med krusninger, hvis amplitude er jo mindre, jo større induktans induktans er. Men i praksis er en stigning i induktansen forbundet med en stigning i størrelsen, vægten og prisen på induktoren og effekttab i den, så brugen af en kondensator til at reducere ripple er mere effektiv. Kombinationen af elementerne L og C i dette kredsløb kaldes ofte et filter [10] [17] .
Navne i engelsk litteratur - boost converter (step-up converter) . Hvis kontakten S er lukket, er dioden D lukket, og en lineært stigende strøm løber fra kilden gennem induktoren L. Når kontakten åbner, begynder induktorstrømmen, som ikke kan ændre sig øjeblikkeligt, at strømme gennem diode D og kondensator C (oplader den). Ved begyndelsen af den næste cyklus kan den næsten lineært aftagende strøm gennem kondensatoren falde til nul, dog er kondensatorspændingen påført belastningen R næsten konstant - krusningsamplituden er jo mindre, jo større er kondensatorens kapacitans. I modsætning til det tidligere kredsløb er induktoren her ikke et filterelement. Belastningsspændingen er altid større end kildespændingen [10] [18] .
Navnet i engelsk litteratur er buck-boost converter (det vil sige "buck-boost converter"). Hovedforskellen fra det foregående kredsløb er, at kredsløbet D , R , C er forbundet parallelt med chokeren og ikke parallelt med nøglen. Princippet for drift af kredsløbet er det samme. Hvis kontakten S er lukket, er dioden D lukket, og en lineært stigende strøm løber fra kilden gennem induktoren L. Når kontakten åbnes, begynder induktorstrømmen, som ikke kan ændre sig øjeblikkeligt, at strømme gennem kondensator C (oplader den) og diode D. Ved begyndelsen af den næste cyklus kan den næsten lineært aftagende strøm gennem kondensatoren falde til nul, dog er kondensatorspændingen påført belastningen R næsten konstant - krusningsamplituden er jo mindre, jo større er kondensatorens kapacitans ( induktoren er ikke et filterelement). Belastningsspændingen kan enten være større eller mindre end kildespændingen [10] [19] .
Fremadspændingsfaldet for almindelige siliciumdioder er omkring 0,7 V, for Schottky-dioder er det omkring 0,4 V. Den effekt, der afgives i dioden ved høje strømme, reducerer effektiviteten betydeligt, især i regulatorer med lav udgangsspænding. Derfor erstattes dioden i sådanne regulatorer ofte med en ekstra halvlederkontakt med et lavt spændingsfald i tilstanden, såsom en power FET .
I alle tre beskrevne skemaer kan dioden D udskiftes med en ekstra kontakt [20] , der kan lukkes og åbnes i modfase til hovedafbryderen.
Hvis galvanisk isolering af indgangs- og udgangskredsløbene på en koblingsstabilisator er påkrævet - for eksempel i henhold til elektriske sikkerhedskrav ved brug af et industrielt vekselstrømsnetværk som primær strømkilde - kan en isolationstransformator bruges i hovedkredsløbene diskuteret ovenfor. Brugen af en højfrekvent transformer i et spændings-ned-konverterkredsløb fører til et enkelt-endet eller push - pull fremad-konverterkredsløb . Udskiftning af chokeren i det inverterende konverterkredsløb med en choker med to eller flere viklinger fører [ 21] til et flyback konverterkredsløb .
Nogle funktioner ved pulsomformere med galvanisk isolering af input fra output:
Skiftespændingsregulatoren er en kilde til højfrekvent interferens på grund af, at den indeholder kontakter, der skifter strømmen [22] . Derfor forekommer der i omskiftningsøjeblikket ret betydelige stigninger i spænding og strøm, der genererer interferens både ved indgangen og udgangen af stabilisatoren, og interferensen er både anti-fase og common-mode [3] . Støjdæmpningsfiltre er installeret både ved indgangen og udgangen af stabilisatoren.
For at reducere interferens er det muligt at skifte nøglen i de øjeblikke, hvor der ikke er strøm gennem nøglen, når den åbnes, eller der er nul spænding på nøglen, når den er lukket. Denne teknik bruges i de såkaldte resonanskonvertere, som også har deres ulemper [23] [24] .
Skiftespændingsregulatoren under belastning har en negativ indgangsdifferensmodstand - når indgangsspændingen stiger, falder indgangsstrømmen og omvendt. Dette bør tages i betragtning for at opretholde stabiliteten af koblingsspændingsregulatoren fra en kilde med øget intern modstand [4] [6] .
Omskiftningsspændingsregulatorerne (omformere) diskuteret ovenfor konverterer jævnstrømmen ved indgangen til en jævnstrøm ved udgangen. For at forsyne enhederne fra AC -nettet er der installeret en ensretter og et udjævningsfilter ved indgangen .
Dette indebærer tilstedeværelsen af et vist antal elementer installeret før isolationstransformatoren, og derfor galvanisk forbundet til indgangskredsløbene. Sådanne elementer skelnes normalt på brædderne enten ved skravering eller ved en streg på det retikulære mærkelag eller endda ved en speciel farve, der advarer en person om den potentielle fare ved at røre ved dem. Skiftende strømforsyninger som en del af andre enheder (tv'er, computere) er lukket med beskyttelsesdæksler forsynet med advarselsmærkater. Hvis det, når du reparerer en skiftende strømforsyning, er nødvendigt at tænde den med dækslet fjernet, anbefales det at tænde det gennem en isolerende transformer eller RCD .
Ofte er støjdæmpningsfiltre ved indgangen af skiftende strømforsyninger forbundet til enhedens kabinet. Dette gøres, hvis det er beregnet til at forbinde chassisets beskyttende jord. Hvis den beskyttende jording forsømmes, dannes der et potentiale i forhold til jorden på instrumenthuset, svarende til halvdelen af netspændingen. Filterkondensatorer har som regel en lille kapacitans, så det er ikke farligt for mennesker at røre ved en sådan enhed, men samtidig berøring af følsomme dele af kroppen med jordede enheder og et ujordet kabinet er mærkbar (de siger, at enheden "bid"). Derudover kan potentialet på kabinettet være farligt for selve enheden.