Být a spínací regulátor Tento obvod je vysoce účinný a nebude plýtvat ani nerozptylovat energii, na rozdíl od lineárních regulátorů, jako je IC 7812 nebo IC LM317 nebo IC LM338.
Proč jsou lineární regulátory jako 7812, LM317 a LM338 špatné převodníky?
Lineární regulátory, jako jsou 7812 a LM317, jsou vzhledem k jejich provozním charakteristikám považovány za neefektivní snižující měniče.
V lineárním regulátoru se přebytečné vstupní napětí rozptyluje ve formě tepla. To znamená, že úbytek napětí mezi vstupními a výstupními svorkami je jednoduše „spálen“ jako plýtvání energií. Lineární regulátor funguje jako proměnný rezistor, který upravuje svůj odpor tak, aby rozptýlil přebytečnou energii a reguloval výstupní napětí.
Tento proces rozptylu vede ke značným ztrátám výkonu a nízké účinnosti. Účinnost lineárního regulátoru je dána poměrem výstupního výkonu ke vstupnímu výkonu. S rostoucím rozdílem vstupního a výstupního napětí se také zvyšuje výkon rozptýlený jako teplo, což je rozdíl napětí násobený výstupním proudem. V důsledku toho se účinnost snižuje s rostoucím rozdílem napětí mezi vstupem a výstupem.
Například při použití lineárního regulátoru k regulaci 24 V vstupu až na 12 V se přebytečných 12 V rozptýlí jako teplo. To může mít za následek značné plýtvání energií a vyžadovat další chladicí mechanismy v aplikacích s vysokým výkonem.
Naproti tomu spínací regulátory (např dolarové převodníky ) jsou efektivnější pro postupnou konverzi. Využívají kombinaci induktorů, kondenzátorů a spínačů pro efektivní převod napětí.
Spínací regulátory ukládají energii během jedné fáze spínacího cyklu a dodávají ji během druhé, čímž minimalizují ztrátu energie ve formě tepla. V závislosti na konkrétní konstrukci mohou spínací regulátory dosahovat účinnosti v rozmezí 80-95% nebo dokonce vyšší.
Stručně řečeno, zatímco lineární regulátory jako 7812 a LM317 jsou přímočaré a nákladově efektivní, nejsou tou nejúčinnější volbou pro postupnou konverzi, kdy je energetická účinnost významným problémem.
Popis obvodu
Níže uvedený obrázek ukazuje základní schéma převodníku 24 V na 12 V.
Použitý spínací regulátor je běžný model od společnosti Motorola: µA78S40.
Následující obrázek představuje vnitřní strukturu tohoto integrovaného obvodu, který obsahuje různé potřebné součásti pro spínací regulátor: oscilátor, klopný obvod, komparátor, zdroj referenčního napětí, budič a spínací tranzistory.
Navíc je zde operační zesilovač, který není pro tuto aplikaci potřeba. O filtraci a vyhlazování napájení se starají kondenzátory C3 až C7.
Kondenzátor C1 určuje frekvenci oscilátoru, zatímco odpory R1, R5 a R6 pomáhají omezovat výstupní proud převodníku.
Napětí na rezistoru R1 je úměrné proudu dodávanému převodníkem.
Nastavením rozdílu napětí asi 0,3 V mezi kolíky 13 a 14 µA78S40 vytvářejí odpory R6 a R7 dělič napětí, což umožňuje omezení proudu kolem 5A.
Zdroj referenčního napětí, oddělený kondenzátorem C2, je k dispozici na kolíku 8 IC1.
Toto referenční napětí je přivedeno na neinvertující vstup interního komparátoru IC1. Invertující vstup je nastaven na potenciál úměrný výstupnímu napětí převodníku.
Pro udržení konstantního výstupního napětí komparátor řídí výstupní stupeň IC1.
Oba vstupy komparátoru jsou udržovány na stejném potenciálu a výstupní napětí je dáno následujícím vzorcem:
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].
Nastavitelný odpor Aj1 umožňuje nastavení výstupního napětí převodníku v rozsahu +10V až +15V.
Dva výstupní tranzistory tvoří Darlingtonův pár a jejich postupné spínání je řízeno klopným obvodem synchronizovaně s oscilacemi kondenzátoru C1.
V kombinaci s hradlem AND je tento klopný obvod řízen komparátorem pro úpravu doby vedení výstupního stupně µA78S40 a udržení konstantního výstupního napětí.
Nasycený nebo blokovaný stav tranzistoru T1 sleduje stav Darlingtonova páru IC1. Když je výstupní stupeň IC1 nasycený, tranzistor T1 je předpjatý a proud jeho báze je omezen rezistorem R2.
Rezistor R3 spolu s rezistorem R9 tvoří dělič napětí, omezující napětí VBE tranzistoru T1 na začátku spínacího procesu.
Tranzistor T1, fungující jako Darlingtonův model, se chová jako otevřený nebo sepnutý spínač na frekvenci oscilátoru µA78S40.
Tlumivka L1 umožňuje pokles napětí z 24V na 12V s využitím vlastností indukčnosti. V ustáleném stavu, když je tranzistor T1 nasycený, je na induktor L1 aplikováno napětí +12V.
Během této fáze indukčnost ukládá energii, kterou uvolňuje, když přiložené napětí zmizí. Když je tedy tranzistor T1 zablokován, induktor L1 má tendenci udržovat proud, který jím protéká.
Dioda D1 se stane vodivou a na induktoru L1 se objeví protielektromotorická síla -12V.
