Buck (adım aşağı) anahtarlama regülatörleri neden bir indüktör ve diyot gerektirir?

Bu yüzden, en azından temel bir seviyede, hem dönüştürücü hem de yükseltici anahtarlama dönüştürücülerinin çalışma yöntemini anlıyorum. Yine de beni şaşırtan şey, özellikle kova dönüştürücülerinin neden daha basit olmadığıdır.

Neden bir kondansatörü şarj eden bir anahtar olarak bir kova dönüştürücü oluşturmuyorsunuz ve anahtar bir karşılaştırıcı tarafından kontrol edilerek çıkış voltajını bir referansla karşılaştırıyor? Bu çok daha basit olmaz, indüktör yerine daha kolay ve ucuz bir kapasitör kullanmanıza izin verir ve diyotu tamamen atlar mı?

Buck dönüştürücüler, boost dönüştürücüler kadar basittir. Aslında, tam olarak aynı devre, sadece geriye doğru görülen, hangi anahtarın (ikisi arasından) kontrollü anahtar olarak çalışacağını seçme özgürlüğümüz varsa (veya senkron bir dönüştürücü ise her ikisi de).

İkinci paragrafınızla ilgili olarak, bunu yaparsanız, kayıplara uğrarsınız. İndüktör tabanlı anahtarlamalı regülatörden daha fazlası ve lineer regülatörden çok daha fazlası. Başlangıç ​​voltajı voltaj kaynağı ile aynı olmayan bir kapasitöre bir voltaj kaynağı bağladığınızda kaçınılmaz olarak enerji harcarsınız. Açık bir direnç görmeseniz bile, gerçek hayatta oradadır ve (merakla) ne kadar küçük olursa olsun, aynı miktarda enerjiyi harcayacaktır. Buraya bakın .

Şarj pompaları dediğiniz gibi çalışır, ancak indüktör tabanlı anahtarlamalı regülatörlerden daha az verimlidir.

Bu, indüktör tabanlı anahtarlamalı regülatörlerin - özellikle gereksiz - ilave karmaşıklığının gerekçesi.

Daha fazla bilgi : Size kovalama ve yükseltme dönüştürücülerinin neden bulunduğunu sezgi vermeye çalışmak için bu şekle bakın.

Enerjiyi birbirine benzemeyen iki gerilim kaynağı arasında ya da birbirine benzemeyen iki akım kaynağı arasında taşımaya çalışırsanız, kaçınılmaz kayıplarınız olacaktır. Öte yandan, bir voltaj kaynağını bir akım kaynağına bağlarsanız, enerjiyi (ve hatta yolda bir miktar voltaj veya akım ölçeği yaparak) herhangi bir kayıp olmadan hareket ettirebilirsiniz . Bir akım kaynağına en çok benzeyen pasif fiziksel eleman bir indüktördür. Bu nedenle indüktör tabanlı anahtarlamalı regülatörler mevcuttur.

Şarj pompaları sol sütunda olacaktır. Teorik maksimum verimlilikleri% 100'den düşüktür (gerçek verimlilik voltajların ve kapasitansların farkına bağlıdır). İndüktör tabanlı anahtarlamalı regülatörler sağ sütunda bulunur. Onların teorik maksimum verimi% 100'dür (!).

Açıkladığınız sorun güncel. Bir kova dönüştürücüsünde, sadece 5A ile ortalama bir 10A elde edebilirsiniz, çünkü diğer 5A diyottan çıkışa ulaşır. Ve diyot sadece endüktif tekme nedeniyle öne doğru eğilir. İndüktör ve diyot olmadan, akımın çıkışa akması için sadece bir yol vardır ve bu doğrudan girişten çıkar. Bu topoloji ile, ortalama çıkış akımınız 10A ise, ortalama giriş akımınızın da 10A olması gerekir. Ve girişten çıkışa gerilim kaybediyorsanız, akım aynı kalırken, kaybedilen enerji ısı olarak dağıtılır. Bu, ilk etapta doğrusal bir regülatör yerine bir anahtarlama regülatörü kullanma amacını ortadan kaldırır.

Ayrıca, farklı voltajlarda iki kapak alırsanız ve aralarında bir anahtarı kapatırsanız, anlık akım çok, çok büyük olacaktır. Her kapağı, seri dirençli mükemmel bir voltaj kaynağı olan Thevenin kaynağı olarak modelleyin. İki mükemmel kaynak arasındaki yolun direnci, anahtarlama cihazının durum direnci ve her iki kapağın ESR'si olacaktır. Kapakların ESR'si muhtemelen daha az olmasa da 1 mOhm civarında olacaktır. Bir transistörün durum direnci değişebilir, ancak muhtemelen 100 mOhm'dan fazla değildir. Bu nedenle, giriş ve çıkış arasında 10V fark varsa, anahtarı açtığınızda anlık giriş / anahtar akımınız en az 100A ve muhtemelen binlerce amper kadar yüksek olacaktır.

Tabii ki, çıkış yüküne ve karşılaştırma döngünüzün sıkılığına bağlı olarak, bu sıklıklara sadece sık sık sahip olacaksınız. Geri kalan süre, giriş / anahtar akımınız sıfırdır. Yani 1A ortalamasını çekiyor olabilirsiniz, ancak girişin gördüğü şey% 0,1'lik bir görev döngüsünde 1000A ani artış. Bunun gibi düzenli büyük akım yükselmeleri düzgün bir kaynaşmayı problem haline getirecektir; bu tür bir dalganın RMS akımı ortalama akımın 18 katı gibi olur! Ayrıca, daha yüksek anlık akımlarla doyurulmayacak daha sert bir anahtar gerektirirler. Bu düzenlemenin erteleyeceği elektromanyetik gürültü hakkında hiçbir şey söylememek!

Transistörü analog modda bırakmak ve geçit voltajını drenaj kaynağı direnci çıkış kapağını istenen voltajda tutacak şekilde ayarlayın. Ve burada doğrusal bir regülatörünüz var.

Nick - Büyük ölçüde indüktör dönüştürücü tartışmasını başkalarına bırakacağım ve şunları ele alacağım:

Neden bir kondansatörü şarj eden bir anahtar olarak bir kova dönüştürücü oluşturmuyorsunuz ve anahtar bir karşılaştırıcı tarafından kontrol edilerek çıkış voltajını bir referansla karşılaştırıyor? Bu çok daha basit olmaz, indüktör yerine daha kolay ve ucuz bir kapasitör kullanmanıza izin verir ve diyotu tamamen atlar mı?

ÇOK özel yöntem kullanarak, enerjiyi bir voltaj seviyesinden diğerine verimli bir şekilde dönüştüren kapasitör dönüştürücüler yapmak mümkündür. AMA basit yöntemler başarısız. Bir kapasitörden eşit kapasitansa başka bir yükü boşaltarak voltajı yarıya indiren tek kademeli bir kapasitör dönüştürücü,% 50'lik bir KURAMSAL verimliliğe ve teorik olandan daha fazla ve muhtemelen daha az olan pratik bir verime sahiptir. Bu, 'fizik yasalarının' basit bir şekilde uygulanmasından kaynaklanmaktadır. Talihsiz gerçek şu ki, iyi verimlilik elde etmek için gereksinimler, bir indüktör bazlı konvertör ile kapasitör bazlı olandan çok daha kolay bir şekilde karşılanmaktadır.

Bu basit düşünce deneyini deneyin.
Eşit kapasitansta iki C1 ve C2 kapasitörü alın.
C1'i 10V demek için şarj edin.
Yük ve kapasitans ile ilgili temel bir formül V = kQ / C'dir,
burada V kapasitör voltajıdır, k sabittir, Q yüktür ve C = kapasitanstır. Şimdi C2'yi C1'e bağlayın.
C1'deki ücret şimdi C1 & C2 arasında eşit olarak paylaşılacaktır.
Bu nedenle, her kapasitördeki Voltaj 5V'dir - ya her birindeki yük yarı orijinal olduğundan veya kapasitans iki katına çıktığı için - aynı şeye bakmanın 2 yolu.

Çok uzak çok iyi.

Bir kondansatördeki AMA enerjisi 0,5 x C x V ^ 2'dir.

Başlangıçta E = 0,5 x C x 10 ^ 2 = 50C enerji birimlerinin üstünde.
İki kondansatörü her bir başlıkta birleştirdikten sonra = 0,5 x C x 5 ^ 2 veya iki kapak için
enerji = 2 x 0,5 x C x 5 ^ 2 = 25C ​​Enerji birimleri.
Ah hayatım ! :-(.
Sadece iki kondansatörü birleştirerek ve yükü paylaşmalarını sağlayarak mevcut
enerjiyi
yarıya indirdik ! Bu süreçte enerjinin yarısı kayboldu! EN İYİ gerilim bu şekilde yarıya düşerse enerjinin yarısını kaybederiz. En az kayıp enerji sonucu, enerjiyi transfer etmek için büyük bir direnç değeri veya bir tel parçası gibi çok düşük bir değer direnci - küçük bir kısmı İkinci durumda son derece yüksek akımlar elde ederiz.

"Açık" bir çözüm, kapasitörleri şarj etmek için "üst üste koymak" ve boşaltmak için paralel yerleştirmektir. Bu çalışıyor! Bir döngü için. Teorik verimlilik =% 100. Bu durumda pratikte bunu yapmak karmaşıklık ve kayıplarla en az 2 x değiştirme anahtarı alır ve sadece 2: 1 oranında çalışır. Daha da kötüsü, yük ile birlikte kap voltajını düşürürsek, böylece bir sonraki döngü için yeniden ayarlanması gerekir, şarjın öncekiyle aynı direnç kayıplarına sahip olduğunu buluruz. Sadece% 100 teorik verim elde edersek, güç kesmezsek :-(.
Bir çeşit çözüm, kapasitör voltajının sadece çok küçük bir miktarda düşmesini ve sadece küçük bir miktarda şarj edilmesini sağlamaktır. Bunu yaparsak, verimlilik% 100'e yakın olabilir, ancak yük akımı başına büyük kapaklara ihtiyacımız var (kapasitenin çoğu sadece voltajı sabit tutmak için kullanıldığından) ve hala sadece 2: 1 dönüşüm oranına sahibiz. Diğer oranlar elde edilebilir, ancak can sıkıcıdır, karmaşık ve pahalıdır ve çoğu durumda indüktör kullanımına göre çok az veya hiç avantajı yoktur. Bazı çok uzman dönüştürücüler bu şekilde çalışır, ancak nadirdir. Ve 2: 1, 3: 1, 4: 1 gibi birkaç sabit orana sahip yukarı veya aşağı dönüştürücü IC'leri satın alabilirsiniz, ancak bunlar genellikle düşük güç, yük ile Vout düşüyor (güzelden daha yüksek Zout) ve genellikle daha düşük indüktör tabanlı bir dönüştürücüye birçok yönden.

Bu nedenle, genellikle voltaj azaltımı için kullanılan güzel, basit, ucuz bir kolay dönüştürücü dönüştürücü görürsünüz. Gerçek dönüştürücü 1 x L, 1 x D, 1 x anahtar (MOSFET veya her neyse) kullanır ve gerisi "tutkal" veya iyileştirmelerdir. Denetleyici de çok basit olabilir.

Kondansatörün voltajını sabit tutmak imkansızdır. Anahtarı her kapattığınızda, üzerine bir voltaj (hangi voltaj?) Boşaltırsınız ve yüksek akım tepe değeri nedeniyle voltaj yükselir. Kapasitör de hoşuna gitmedi. Ve anahtarlamada çok fazla enerji kaybedeceksiniz .

Bir anahtarda bobin, kapasitörü şarj eden akımın düzgün bir şekilde yükselmesini ve ortalama olarak yük akımını takip etmesini sağlar. Diyot, anahtar açıldığında gereklidir. O anda bobin, enerjisi bir yere gitmesi gereken bir manyetik alan inşa etti. Diyot, bobinin akımının akmaya devam etmesini sağlayan döngüyü kapatır.

Daha gelişmiş anahtarlama cihazları sayesinde kova dönüştürücüler, bugünlerde operasyon teorisinin önerebileceğinden çok daha basittir. Ve% 95'e kadar verimlilik elde edebilirler, bu da sadece bir kapasitörü açıp kapamak asla yapamaz.

Diyot ihtiyacını anlamanın en basit yolu, elektronların beslemeden geçtikleri her seferde kaç kez yükten geçebileceğini düşünmektir. Diyot yoksa, yükten geçen her elektron yükü tekrar ziyaret edebilmek için tekrar beslemeden geçmelidir. Diyot eklenmesi, bazı elektronların yükü ziyaret etmesini, diyottan geçmesini ve beslemeye geri gitmeden yükü tekrar ziyaret etmesini mümkün kılar. Bobin gereklidir, çünkü bu olmadan yükten geçen ve diyota ulaşan elektronlar diyottan geçmek ve yükü tekrar ziyaret etmek için yeterli enerjiye sahip olmaz. Bobin, beslemeden taze gelen elektronlardan fazla enerjiyi emer ve daha sonra bunu devridaim edilmiş elektronlara besler.

Bir DC voltajını bir seri direnç, Rs ve direnç, RL & yükü şantta ortak olarak azaltabilirsiniz, ancak Rs serisindeki güç kaybı = V * I ile verimli olmadığını bilirsiniz.

Anahtarlı bir Direnç oranı ile (önerdiğiniz gibi) düşebilir ve daha sonra seri direnç, görev döngüsünün bir fonksiyonudur ve etkili seri direnç (ESR) değiştirir,

dolayısıyla Rs = ESR / T {burada T, T = 0 ila 1 için AÇIK zaman / döngü süresidir}

Şimdi yükünüzün voltajı ve belki de aktif bir zener'i sabitlemek için kapasitansa ihtiyacı vardır ve seri dirençte hala kayıp olacaktır. 10: 1 oranını düşünün, akım 10x daha yüksektir, ancak zamanın 1 / 10'unda, bu nedenle P = V * I * T, güç kaybı doğrusal bir regülatör ile aynıdır. Mantıklı olmak?

İndüktör gerilimi düşürürken sabit akım sağlar. Akım, kademeli bir cihaz olarak saat anahtarlamalı AC sinyali için büyük ölçüde reaktif ve faz dışı olduğundan, çok daha verimlidir. Mantıklı olmak? Reaktif empedansı yükten çok daha düşük hale getiriyorum, daha da verimli olabilirsiniz. Bu, anahtarlama oranını ve endüktans değerini arttırmak anlamına gelir. Ancak ferrit doygunluğu pratik bir akım sınırına ulaşır ve daha büyük akımlar için hava boşluklu ferrit ile gitmek önemlidir .