Schaltverstärkeregler: Konstruktionsgrundlagen und Effizienz

In der Elektronik ist ein Regler ein Gerät oder Mechanismus, der die Leistungsabgabe konstant regeln kann. Im Bereich der Stromversorgung stehen verschiedene Arten von Reglern zur Verfügung. Vor allem bei der Umwandlung von Gleichstrom in Gleichstrom stehen jedoch zwei Arten von Reglern zur Verfügung: Linear oder Schalten.

Ein Linearregler regelt den Ausgang mit einem Widerstandsspannungsabfall und sorgt dadurch für einen geringeren Wirkungsgrad und Leistungsverlust in Form von Wärme.

Auf der anderen Seite verwenden der Schaltregler einen Induktor, eine Diode und einen Leistungsschalter, um Energie von seiner Quelle zum Ausgang zu übertragen.

Es gibt drei Arten von Schaltreglern.

1. Aufwärtswandler (Boost Regulator)

2. Abwärtswandler (Buck-Regler)

3. Wechselrichter (Flyback)

In diesem Tutorial beschreiben wir die Switching - Boost - Regler - Schaltung. Wir haben das Boost Regulator Design bereits im vorherigen Tutorial beschrieben. Hier werden verschiedene Aspekte des Aufwärtswandlers und die Verbesserung seiner Effizienz erörtert.

Konstruktionsgrundlagen der Aufwärtswandlerschaltung

In vielen Fällen müssen wir je nach Anforderung eine niedrigere Spannung in eine höhere Spannung umwandeln. Der Boost-Regler erhöht die Spannung von einem niedrigeren Potential auf ein höheres Potential.

In der obigen Abbildung ist eine einfache Boost-Reglerschaltung dargestellt, in der ein Induktor, eine Diode, ein Kondensator und ein Schalter verwendet werden.

Der Zweck des Induktors besteht darin, die Stromanstiegsrate zu begrenzen, die durch den Leistungsschalter fließt. Dadurch wird der überschüssige Hochspitzenstrom begrenzt, der durch den Schaltwiderstand einzeln unvermeidbar ist.

Auch ist die Induktivität speichert Energie, die Energie gemessen in Joules E = (L * I ² /2)

Wir werden in den kommenden Bildern und Grafiken verstehen, wie die Induktoren Energie übertragen.

Beim Schalten von Boost-Reglern gibt es zwei Phasen: Eine ist die Induktor-Ladephase oder die Einschaltphase (der Schalter ist tatsächlich geschlossen) und die andere ist die Entladephase oder die Ausschaltphase (der Schalter ist offen).

Wenn wir annehmen, dass der Schalter lange Zeit geöffnet war, ist der Spannungsabfall an der Diode negativ und die Spannung am Kondensator ist gleich der Eingangsspannung. In dieser Situation wird der Vin über den Induktor erschreckt, wenn sich der Schalter nähert. Die Diode verhindert die Entladung des Kondensators über den Schalter zur Erde.

Der Strom durch die Induktivität steigt linear mit der Zeit an. Die lineare Stromanstiegsrate ist proportional zur Eingangsspannung geteilt durch die Induktivität di / dt = Spannung über Induktivität / Induktivität

In der oberen Grafik wird die Ladephase des Induktors angezeigt. Die x-Achse bezeichnet t (Zeit) und die Y-Achse bezeichnet I (Strom durch den Induktor). Der Strom steigt linear mit der Zeit an, wenn der Schalter geschlossen oder eingeschaltet ist.

Nun, wenn der Schalter wieder aussteigt oder geöffnet wurde, der Induktor Stromflusses durch die Diode und den Ausgangskondensator aufzuladen. Wenn die Ausgangsspannung ansteigt, kehrt sich die Stromsteigung durch die Induktivität um. Die Ausgangsspannung steigt an, bis die Spannung durch den Induktor = L * (di / dt) erreicht ist.

Die zeitliche Abfallrate des Induktorstroms ist direkt proportional zur Induktorspannung. Je höher die Induktorspannung, desto schneller fällt der Strom durch die Induktivität.

In der obigen Grafik fällt der Induktorstrom mit der Zeit ab, wenn der Schalter ausgeschaltet wird.

Wenn sich der Schaltregler im stationären Betriebszustand befindet, ist die durchschnittliche Spannung des Induktors während des gesamten Schaltzyklus Null. Für diesen Zustand befindet sich auch der durchschnittliche Strom durch die Induktivität im stationären Zustand.

Wenn wir annehmen, dass die Ladezeit des Induktors Ton ist und die Schaltung eine Eingangsspannung hat, gibt es eine bestimmte Ausschalt- oder Entladezeit für eine Ausgangsspannung.

Da die durchschnittliche Induktorspannung im stationären Zustand gleich Null ist, können wir eine Boost-Schaltung unter Verwendung der folgenden Begriffe konstruieren

Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)

Da die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung und der durchschnittlichen Induktorspannung ist (Vout = Vin + VL)

Wir können das sagen, Vout = Vin + Vin x (Tonne / Toff) Vout = Vin x (1 + Tonne / Toff)

Wir können den Vout auch anhand des Arbeitszyklus berechnen.

Arbeitszyklus (D) = Tonne / (Tonne + Toff)

Für den Boost-Schaltregler ist der Vout Vin / (1 - D)

PWM und Arbeitszyklus für Aufwärtswandlerschaltung

Wenn wir den Arbeitszyklus steuern, können wir den stationären Ausgang des Aufwärtswandlers steuern. Für die Änderung des Arbeitszyklus verwenden wir also einen Steuerkreis über dem Schalter.

Für eine vollständige grundlegende Boost-Reglerschaltung benötigen wir also eine zusätzliche Schaltung, die das Tastverhältnis und damit die Zeitdauer variiert, in der der Induktor Energie von der Quelle empfängt.

In der obigen Abbildung ist ein Fehlerverstärker zu sehen, der die Ausgangsspannung über der Last unter Verwendung eines Rückkopplungspfads erfasst und den Schalter steuert. Die gebräuchlichste Steuerungstechnik umfasst die PWM- oder Impulsbreitenmodulationstechnik, die zur Steuerung des Arbeitszyklus der Schaltung verwendet wird.

Der Steuerkreis steuert die Zeitdauer, in der der Schalter geöffnet oder geschlossen bleibt, abhängig vom von der Last aufgenommenen Strom. Diese Schaltung wird auch für den Dauerbetrieb im eingeschwungenen Zustand verwendet. Es wird eine Probe der Ausgangsspannung genommen und um sie von einer Referenzspannung zu subtrahieren und ein kleines Fehlersignal zu erzeugen, dann wird dieses Fehlersignal mit einem Oszillatorrampensignal verglichen und vom Komparatorausgang wird ein PWM-Signal den Schalter betätigen oder steuern Schaltkreis.

Wenn sich die Ausgangsspannung ändert, wird auch die Fehlerspannung davon beeinflusst. Aufgrund einer Fehlerspannungsänderung steuert der Komparator den PWM-Ausgang. Die PWM hat sich auch in eine Position geändert, in der die Ausgangsspannung eine Fehlerspannung von Null erzeugt, und auf diese Weise führt das System mit geschlossenem Regelkreis die Arbeit aus.

Glücklicherweise haben die meisten modernen Schaltverstärkungsregler dieses Ding im IC-Paket eingebaut. Somit wird mit den modernen Schaltreglern ein einfaches Schaltungsdesign erreicht.

Die Referenzrückkopplungsspannung wird unter Verwendung eines Widerstandsteilernetzwerks durchgeführt. Dies ist die zusätzliche Schaltung, die zusammen mit Induktor, Dioden und Kondensatoren benötigt wird.

Verbessern Sie die Effizienz der Aufwärtswandlerschaltung

Wenn wir nun den Wirkungsgrad untersuchen, ist es, wie viel Leistung wir in der Schaltung bereitstellen und wie viel wir am Ausgang erhalten.

(Schmollmund / Stift) * 100%

Da Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann, kann sie nur umgewandelt werden. Die meisten elektrischen Energien verlieren ungenutzte Kräfte, die in Wärme umgewandelt werden. Auch im praktischen Bereich gibt es keine ideale Situation. Die Effizienz ist ein größerer Faktor für die Auswahl der Spannungsregler.

Einer der Hauptverlustfaktoren für einen Schaltregler ist die Diode. Die Vorwärtsspannungsabfallzeiten Strom (Vf xi) ist die nicht verwendete Leistung, die in Wärme umgewandelt wird und den Wirkungsgrad der Schaltreglerschaltung verringert. Es sind auch die zusätzlichen Kosten für die Schaltung für Wärme- / Wärmemanagementtechniken unter Verwendung eines Kühlkörpers oder von Lüftern, um die Schaltung von der abgegebenen Wärme abzukühlen. Nicht nur der Vorwärtsspannungsabfall, sondern auch die Rückwärtswiederherstellung für Siliziumdioden führt zu unnötigen Leistungsverlusten und einer Verringerung des Gesamtwirkungsgrads.

Eine der besten Möglichkeiten, eine Standardwiederherstellungsdiode zu vermeiden, besteht darin, Schottky-Dioden anstelle von Dioden zu verwenden, die einen geringen Durchlassspannungsabfall und eine bessere Rückwärtswiederherstellung aufweisen. Wenn ein maximaler Wirkungsgrad erforderlich ist, kann die Diode mithilfe von MOSFETs ausgetauscht werden. In der modernen Technologie stehen im Bereich Schaltverstärkungsregler zahlreiche Optionen zur Verfügung, die auf einfache Weise einen Wirkungsgrad von mehr als 90% bieten.

Außerdem gibt es eine Funktion „Überspringmodus“, die in vielen modernen Geräten verwendet wird und es dem Regler ermöglicht, Schaltzyklen zu überspringen, wenn bei sehr geringen Lasten nicht umgeschaltet werden muss. Dies ist eine großartige Möglichkeit, die Effizienz bei geringer Last zu verbessern. Im Sprungmodus wird der Schaltzyklus nur eingeleitet, wenn die Ausgangsspannung unter einen Regelschwellenwert fällt.

Trotz höherer Effizienz, stationärer Konstruktionstechnik und kleinerer Komponenten sind Schaltregler laut als ein Linearregler. Trotzdem sind sie weit verbreitet.

Beispieldesign für einen Aufwärtswandler

Wir haben zuvor mit MC34063 eine Boost-Reglerschaltung erstellt, bei der der 5-V-Ausgang aus der 3,7-V-Eingangsspannung erzeugt wird. MC34063 ist der Schaltregler, der in der Konfiguration des Ladedruckreglers verwendet wurde. Wir verwendeten einen Induktor, eine Schottky-Diode und Kondensatoren.

Im obigen Bild ist Cout der Ausgangskondensator, und wir haben auch eine Induktivität und eine Schottky-Diode verwendet, die die Grundkomponenten für einen Schaltregler sind. Es wird auch ein Feedback-Netzwerk verwendet. Die Widerstände R1 und R2 erzeugen eine Spannungsteilerschaltung, die für die PWM- und Fehlerverstärkungsstufe des Komparators benötigt wird. Die Referenzspannung des Komparators beträgt 1,25V.

Wenn wir das Projekt im Detail sehen, können wir sehen, dass dieser Schaltkreis des Schaltverstärkers MC34063 einen Wirkungsgrad von 70-75% erreicht. Die weitere Effizienz kann durch geeignete PCB-Technik und Erhalt von Wärmemanagementverfahren verbessert werden.