Schaltregler: 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 werden wir die beschreiben Schalt - Abwärtsregler - Schaltung. Wir haben das Buck Regulator Design bereits im vorherigen Tutorial beschrieben. Hier werden verschiedene Aspekte des Buck-Konverters und die Verbesserung seiner Effizienz erörtert.

Unterschied zwischen Buck und Boost Regulator

Der Unterschied zwischen dem Buck-Regler und dem Boost-Regler besteht darin, dass sich im Buck-Regler die Anordnung von Induktor, Diode und Schaltkreis vom Boost-Regler unterscheidet. Auch im Fall eines Boost-Reglers ist die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung, aber im Buck-Regler ist die Ausgangsspannung niedriger als die Eingangsspannung.

Eine Buck-Topologie oder ein Buck-Konverter ist eine der am häufigsten verwendeten Basistopologien in SMPS. Es ist eine beliebte Wahl, wenn wir eine höhere Spannung in eine niedrigere Ausgangsspannung umwandeln müssen.

Wie der Aufwärtsregler besteht ein Abwärtswandler oder Abwärtsregler aus einem Induktor, aber der Anschluss des Induktors erfolgt in der Ausgangsstufe und nicht in der Eingangsstufe, die in den Aufwärtsreglern verwendet wird.

In vielen Fällen müssen wir daher abhängig von den Anforderungen eine niedrigere Spannung in eine höhere Spannung umwandeln. Der Buck-Regler wandelt die Spannung von einem höheren Potential in ein niedrigeres Potential um.

Konstruktionsgrundlagen der Abwärtswandlerschaltung

In der obigen Abbildung ist eine einfache Buck-Reglerschaltung dargestellt, in der ein Induktor, eine Diode, ein Kondensator und ein Schalter verwendet werden. Der Eingang ist direkt über den Switch angeschlossen. Der Induktor und der Kondensator sind über den Ausgang geschaltet, so dass die Last eine gleichmäßige Ausgangsstromwellenform erhält. Die Diode dient zum Blockieren des negativen Stromflusses.

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 davon ausgehen, dass der Schalter lange Zeit geöffnet war, ist der Strom im Stromkreis 0 und es liegt keine Spannung an.

In dieser Situation steigt der Strom an, wenn sich der Schalter nähert, und der Induktor erzeugt eine Spannung über ihm. Dieser Spannungsabfall minimiert die Quellenspannung am Ausgang, nach wenigen Augenblicken nimmt die Stromänderungsrate ab und die Spannung an der Induktivität nimmt ebenfalls ab, was schließlich die Spannung an der Last erhöht. Der Induktor speichert Energie mithilfe seines Magnetfelds.

Wenn der Schalter eingeschaltet ist, beträgt die Spannung über der Induktivität V _L = Vin - Vout

Der Strom in der Induktivität steigt mit einer Geschwindigkeit von (Vin - Vout) / L an

Der Strom durch die Induktivität steigt linear mit der Zeit an. Die lineare Stromanstiegsrate ist proportional zur Eingangsspannung abzüglich der Ausgangsspannung geteilt durch die Induktivität

di / dt = (Vin - Vout) / L.

Das obere Diagramm zeigt die Ladephase des Induktors. Die x-Achse bezeichnet t (Zeit) und die Y-Achse bezeichnet i (Strom durch die Induktivität). Der Strom steigt linear mit der Zeit an, wenn der Schalter geschlossen oder eingeschaltet ist.

Während dieser Zeit, während sich der Strom noch ändert, tritt immer ein Spannungsabfall über der Induktivität auf. Die Spannung an der Last ist niedriger als die Eingangsspannung. Während des Aus-Zustands, während der Schalter geöffnet ist, wird die Eingangsspannungsquelle getrennt und der Induktor überträgt die gespeicherte Energie an die Last. Der Induktor wird zur Stromquelle für die Last.

Die Diode D1 liefert einen Rückweg des Stroms, der während des Ausschaltzustands durch die Induktivität fließt.

Der Induktorstrom nimmt mit einer Steigung von –Vout / L ab

Betriebsarten des Abwärtswandlers

Der Buck-Wandler kann in zwei verschiedenen Modi betrieben werden. Kontinuierlicher Modus oder diskontinuierlicher Modus.

Kontinuierlicher Modus

Im kontinuierlichen Modus wird der Induktor nie vollständig entladen. Der Ladezyklus beginnt, wenn der Induktor teilweise entladen ist.

Im obigen Bild können wir sehen, wenn der Schalter eingeschaltet wird, wenn der Induktorstrom (iI) linear ansteigt, und wenn der Schalter ausfällt, beginnt der Induktor abzunehmen, aber der Schalter wird wieder eingeschaltet, während der Induktor teilweise entladen ist. Dies ist die kontinuierliche Betriebsart.

Die im Induktor gespeicherte Energie beträgt E = (LI _L ²) / 2

Diskontinuierlicher Modus

Der diskontinuierliche Modus unterscheidet sich geringfügig vom kontinuierlichen Modus. Im diskontinuierlichen Modus entlud sich der Induktor vollständig, bevor ein neuer Ladezyklus gestartet wurde. Der Induktor entlädt sich vollständig auf Null, bevor der Schalter eingeschaltet wird.

Während des diskontinuierlichen Modus steigt der Induktorstrom (il) linear an, wie wir im obigen Bild sehen können, wenn der Schalter eingeschaltet wird. Wenn der Schalter ausgeht, beginnt der Induktor abzunehmen, aber der Schalter wird erst nach dem Induktor eingeschaltet ist vollständig entladen und der Induktorstrom wurde vollständig Null. Dies ist die diskontinuierliche Betriebsart. Bei diesem Vorgang ist der Stromfluss durch die Induktivität nicht kontinuierlich.

PWM und Arbeitszyklus für Buck-Konverter-Schaltung

Wie wir im vorherigen Tutorial zum Abwärtswandler besprochen haben, können wir durch Variieren des Arbeitszyklus die Abwärtsreglerschaltung steuern. Hierzu ist ein grundlegendes Steuerungssystem erforderlich. Zusätzlich ist eine Fehlerverstärker- und Schaltersteuerschaltung erforderlich, die im kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Modus arbeitet.

Für eine vollständige Buck-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, wie lange der Schalter geöffnet bleibt oder wie lange der Induktor geladen oder entladen wird.

Diese Schaltung steuert den Schalter je nach Betriebsart. 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 Schalt-Buck-Regler 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 des Buck Converter Circuit

Wenn wir nun den Wirkungsgrad untersuchen, 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 Hauptleistungsverlustfaktoren für einen Schaltregler wird die Diode. Der Vorwärtsspannungsabfall multipliziert mit dem 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 für Lüfter, 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 gibt es im Bereich des Schalt-Buck-Reglers eine große Auswahl, die leicht einen Wirkungsgrad von mehr als 90% bietet.

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

Beispieldesign für Buck Converter

Wir haben zuvor mit MC34063 eine Buck-Reglerschaltung erstellt, bei der der 5-V-Ausgang aus der 12-V-Eingangsspannung erzeugt wird. MC34063 ist der Schaltregler, der in der Buck-Regler-Konfiguration 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 ein Schalt-Buck-Regler-Schaltkreis MC34063 einen Wirkungsgrad von 75-78% erreicht. Die weitere Effizienz kann durch geeignete PCB-Technik und Erhalt von Wärmemanagementverfahren verbessert werden.

Beispiel Verwendung eines Buck-Reglers-

1. Gleichstromquelle in der Niederspannungsanwendung
2. Tragbare Ausrüstung
3. Tontechnik
4. Eingebettete Hardwaresysteme.
5. Sonnensysteme etc.