A fi regulator de comutare , acest circuit este foarte eficient și nu va irosi sau disipa energie, spre deosebire de regulatoarele liniare precum IC 7812 sau IC LM317 sau IC LM338.
De ce regulatoarele liniare precum 7812, LM317 și LM338 sunt convertizoare rele?
Regulatoarele liniare, cum ar fi 7812 și LM317, sunt considerate convertoare reductoare ineficiente datorită caracteristicilor lor operaționale.
Într-un regulator liniar, tensiunea de intrare în exces suferă o disipare sub formă de căldură. Aceasta înseamnă că căderea de tensiune dintre bornele de intrare și de ieșire este pur și simplu „arsă” ca energie irosită. Regulatorul liniar funcționează ca un rezistor variabil, ajustându-și rezistența pentru a disipa surplusul de energie și pentru a regla tensiunea de ieșire.
Acest proces de disipare duce la pierderi considerabile de putere și la o eficiență scăzută. Eficiența unui regulator liniar este determinată de raportul dintre puterea de ieșire și puterea de intrare. Pe măsură ce diferența de tensiune de intrare-ieșire crește, crește și puterea disipată sub formă de căldură, care este diferența de tensiune înmulțită cu curentul de ieșire. În consecință, eficiența scade pe măsură ce diferența de tensiune între intrare și ieșire crește.
De exemplu, când se folosește un regulator liniar pentru a regla o intrare de 24 V până la 12 V, excesul de 12 V este disipat sub formă de căldură. Acest lucru poate duce la pierderi substanțiale de energie și necesită mecanisme suplimentare de răcire în aplicațiile care implică putere mare.
În schimb, regulatoarele de comutare (cum ar fi convertoare de dolari ) sunt mai eficiente pentru conversia step-down. Acestea folosesc o combinație de inductori, condensatori și comutatoare pentru a converti tensiunea în mod eficient.
Regulatoarele de comutare stochează energia în timpul unei faze a ciclului de comutare și o furnizează în timpul celeilalte, reducând astfel la minimum disiparea energiei sub formă de căldură. În funcție de designul specific, regulatoarele de comutare pot atinge eficiențe cuprinse între 80-95% sau chiar mai mari.
Pe scurt, în timp ce regulatoarele liniare precum 7812 și LM317 sunt simple și rentabile, nu sunt cea mai eficientă alegere pentru conversia step-down atunci când eficiența energetică este o preocupare semnificativă.
Descrierea circuitului
Figura de mai jos prezintă schema de bază a convertorului de la 24 V la 12 V.
Regulatorul de comutare utilizat este un model comun de la Motorola: µA78S40.
Următoarea figură prezintă structura internă a acestui circuit integrat, care include diverse componente necesare unui regulator de comutare: oscilator, flip-flop, comparator, sursă de referință de tensiune, driver și tranzistoare de comutare.
În plus, există un amplificator operațional care nu este necesar pentru această aplicație. Filtrarea și netezirea sursei de alimentare sunt gestionate de condensatoarele C3 până la C7.
Condensatorul C1 determină frecvența oscilatorului, în timp ce rezistențele R1, R5 și R6 ajută la limitarea curentului de ieșire al convertorului.
Tensiunea la rezistorul R1 este proporțională cu curentul furnizat de convertor.
Prin setarea unei diferențe de tensiune de aproximativ 0,3 V între pinii 13 și 14 ai µA78S40, rezistențele R6 și R7 creează un divizor de tensiune, permițând limitării curentului să apară la aproximativ 5A.
Sursa de referință de tensiune, decuplată de condensatorul C2, este disponibilă la pinul 8 al IC1.
Această tensiune de referință este aplicată la intrarea neinversătoare a comparatorului intern al IC1. Intrarea inversoare este setată la un potențial proporțional cu tensiunea de ieșire a convertorului.
Pentru a menține o tensiune de ieșire constantă, comparatorul controlează treapta de ieșire a IC1.
Ambele intrări ale comparatorului sunt menținute la același potențial, iar tensiunea de ieșire este dată de următoarea formulă:
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].
Rezistorul reglabil Aj1 permite reglarea tensiunii de ieșire a convertorului în intervalul de la +10V la +15V.
Cele două tranzistoare de ieșire formează o pereche Darlington, iar comutarea lor succesivă este controlată de flip-flop în sincronizare cu oscilațiile condensatorului C1.
Combinat cu o poartă AND, acest flip-flop este controlat de comparator pentru a regla timpul de conducere al etapei de ieșire a µA78S40 și pentru a menține o tensiune de ieșire constantă.
Starea saturată sau blocată a tranzistorului T1 urmează starea perechii Darlington a IC1. Când treapta de ieșire a lui IC1 este saturată, tranzistorul T1 este polarizat, iar curentul său de bază este limitat de rezistența R2.
Rezistorul R3, împreună cu rezistorul R9, formează un divizor de tensiune, limitând tensiunea VBE a tranzistorului T1 la începutul procesului de comutare.
Tranzistorul T1, acționând ca un model Darlington, se comportă ca un comutator deschis sau închis la frecvența oscilatorului µA78S40.
Inductorul L1 permite scăderea tensiunii de la 24V la 12V folosind proprietățile inductanței. Într-o stare staționară, când tranzistorul T1 este saturat, se aplică o tensiune de +12V peste inductorul L1.
În această fază, inductanța stochează energie, pe care o eliberează atunci când tensiunea aplicată dispare. Astfel, atunci când tranzistorul T1 este blocat, inductorul L1 tinde să mențină curentul care circulă prin el.
Dioda D1 devine conductivă și o forță contra-electromotoare de -12V apare pe inductorul L1.
