Byť spínací regulátor Tento obvod je vysoko účinný a neplytvá ani nerozptyľuje energiu, na rozdiel od lineárnych regulátorov ako IC 7812, alebo IC LM317 alebo IC LM338.
Prečo sú lineárne regulátory ako 7812, LM317 a LM338 zlé konvertory?
Lineárne regulátory, ako sú 7812 a LM317, sa vzhľadom na ich prevádzkové charakteristiky považujú za neefektívne znižovacie meniče.
V lineárnom regulátore sa nadmerné vstupné napätie rozptýli vo forme tepla. To znamená, že pokles napätia medzi vstupnými a výstupnými svorkami sa jednoducho „spáli“ ako plytvanie energiou. Lineárny regulátor funguje tak, že pôsobí ako premenlivý odpor, upravuje svoj odpor tak, aby rozptýlil prebytočnú energiu a reguloval výstupné napätie.
Tento proces rozptylu vedie k značným stratám energie a nízkej účinnosti. Účinnosť lineárneho regulátora je určená pomerom výstupného výkonu k príkonu. So zvyšujúcim sa rozdielom vstupno-výstupného napätia sa zvyšuje aj výkon rozptýlený ako teplo, čo je rozdiel napätia vynásobený výstupným prúdom. V dôsledku toho sa účinnosť znižuje so zvyšujúcim sa rozdielom napätia medzi vstupom a výstupom.
Napríklad pri použití lineárneho regulátora na reguláciu 24 V vstupu až na 12 V sa prebytočných 12 V rozptýli ako teplo. To môže viesť k značnému plytvaniu energiou a vyžaduje si dodatočné chladiace mechanizmy v aplikáciách s vysokým výkonom.
Naproti tomu spínacie regulátory (ako napr konvertory babiek ) sú efektívnejšie pre postupnú konverziu. Využívajú kombináciu induktorov, kondenzátorov a spínačov na efektívnu konverziu napätia.
Spínacie regulátory uchovávajú energiu počas jednej fázy spínacieho cyklu a dodávajú ju počas ďalšej, čím sa minimalizuje rozptyl energie vo forme tepla. V závislosti od konkrétneho dizajnu môžu spínacie regulátory dosahovať účinnosť v rozmedzí od 80-95% alebo dokonca vyššie.
Stručne povedané, zatiaľ čo lineárne regulátory ako 7812 a LM317 sú jednoduché a nákladovo efektívne, nie sú tou najefektívnejšou voľbou pre postupnú konverziu, keď je energetická účinnosť významným problémom.
Popis okruhu
Na obrázku nižšie je znázornená základná schéma meniča 24 V na 12 V.
Použitý spínací regulátor je bežný model od spoločnosti Motorola: µA78S40.
Nasledujúci obrázok predstavuje vnútornú štruktúru tohto integrovaného obvodu, ktorý obsahuje rôzne potrebné komponenty pre spínací regulátor: oscilátor, klopný obvod, komparátor, zdroj referenčného napätia, budič a spínacie tranzistory.
Okrem toho existuje operačný zosilňovač, ktorý nie je pre túto aplikáciu potrebný. Filtrovanie a vyhladzovanie napájacieho zdroja majú na starosti kondenzátory C3 až C7.
Kondenzátor C1 určuje frekvenciu oscilátora, zatiaľ čo odpory R1, R5 a R6 pomáhajú obmedziť výstupný prúd meniča.
Napätie na rezistore R1 je úmerné prúdu dodávanému meničom.
Nastavením rozdielu napätia asi 0,3 V medzi kolíkmi 13 a 14 µA78S40 vytvoria odpory R6 a R7 delič napätia, čo umožňuje obmedzenie prúdu pri prúde okolo 5A.
Referenčný zdroj napätia, oddelený kondenzátorom C2, je k dispozícii na kolíku 8 IC1.
Toto referenčné napätie je privedené na neinvertujúci vstup interného komparátora IC1. Invertujúci vstup je nastavený na potenciál úmerný výstupnému napätiu meniča.
Aby sa udržalo konštantné výstupné napätie, komparátor riadi výstupný stupeň IC1.
Oba vstupy komparátora sú udržiavané na rovnakom potenciáli a výstupné napätie je dané nasledujúcim vzorcom:
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].
Nastaviteľný odpor Aj1 umožňuje nastavenie výstupného napätia meniča v rozsahu +10V až +15V.
Dva výstupné tranzistory tvoria Darlingtonov pár a ich postupné spínanie je riadené klopným obvodom v synchronizácii s osciláciami kondenzátora C1.
V kombinácii s hradlom AND je tento klopný obvod riadený komparátorom na úpravu doby vedenia výstupného stupňa µA78S40 a udržiavanie konštantného výstupného napätia.
Nasýtený alebo zablokovaný stav tranzistora T1 sleduje stav Darlingtonovho páru IC1. Keď je výstupný stupeň IC1 nasýtený, tranzistor T1 je predpätý a jeho základný prúd je obmedzený odporom R2.
Rezistor R3 tvorí spolu s odporom R9 delič napätia, obmedzujúci napätie VBE tranzistora T1 na začiatku spínacieho procesu.
Tranzistor T1, fungujúci ako Darlingtonov model, sa chová ako otvorený alebo uzavretý spínač na frekvencii oscilátora µA78S40.
Induktor L1 umožňuje pokles napätia z 24V na 12V s využitím vlastností indukčnosti. V ustálenom stave, keď je tranzistor T1 nasýtený, je cez induktor L1 aplikované napätie +12V.
Počas tejto fázy indukčnosť ukladá energiu, ktorú uvoľňuje, keď napätie zmizne. Keď je teda tranzistor T1 zablokovaný, induktor L1 má tendenciu udržiavať prúd, ktorý ním prechádza.
Dióda D1 sa stane vodivou a cez induktor L1 sa objaví protielektrická sila -12V.
