Estabilizador de voltaje de conmutación ( estabilizador de voltaje clave , los nombres también se usan convertidor de pulso , fuente de alimentación conmutada ) - estabilizador de voltaje , en el que el elemento regulador ( tecla ) funciona en un modo pulsado [1] , es decir, el elemento regulador se abre periódicamente y cierra
La energía de la fuente de alimentación primaria se transmite a través del elemento regulador en ciertas porciones, proporcionadas por el lazo de control, de modo que el valor promedio del voltaje de salida sea estable. El suavizado de las ondas de voltaje de salida ocurre debido a la presencia de un elemento (o una combinación de elementos) capaz de acumular energía eléctrica y entregarla a la carga.
El estabilizador de voltaje de conmutación en comparación con un estabilizador lineal tiene menores pérdidas de energía para calentar el elemento regulador, lo que aumenta la eficiencia del estabilizador y permite el uso de un elemento regulador de menor potencia y un radiador de menor tamaño y peso.
ventajas:
Defectos:
El estabilizador de voltaje de conmutación es un sistema de control automático . El parámetro de configuración para el lazo de control es el voltaje de referencia , que se compara con el voltaje de salida del estabilizador. Dependiendo de la señal de error, el dispositivo de control cambia la relación de las duraciones de los estados abierto y cerrado de la llave.
En los diagramas de bloques que se presentan a continuación, se pueden distinguir tres unidades funcionales: una llave (1), un dispositivo de almacenamiento de energía (2) (a veces llamado filtro [7] ) y un circuito de control. En este caso, el interruptor (1) y el dispositivo de almacenamiento de energía (2) juntos forman la sección de potencia [8] del estabilizador de voltaje , que junto con el circuito de control forman un lazo de control. Existen tres esquemas según el tipo de circuito de control.
Un estabilizador de voltaje con un disparador Schmitt también se denomina relé o regulador de encendido y apagado [9] . En él se compara la tensión de salida con los umbrales inferior y superior del disparador Schmitt (4 y 3) por medio de un comparador (4), que suele ser la parte de entrada del disparador Schmitt. Cuando la llave (1) está cerrada, el voltaje de entrada se suministra al dispositivo de almacenamiento de energía (2), el voltaje de salida aumenta y, después de alcanzar el umbral superior U max , el gatillo Schmitt cambia al estado que abre la llave (1 ). La energía acumulada se consume en la carga, mientras que el voltaje en la salida del estabilizador cae, y después de alcanzar el umbral inferior U min , el gatillo Schmitt cambia al estado que cierra el interruptor. Además, el proceso descrito se repite periódicamente. Como resultado, se forma un voltaje pulsante en la salida , cuya amplitud de ondulación depende de la diferencia en los umbrales del disparador Schmitt.
Tal estabilizador se caracteriza por una ondulación de voltaje relativamente grande, fundamentalmente inamovible en la carga y una frecuencia de conversión variable, dependiendo tanto del voltaje de entrada como de la corriente de carga [10] .
Como en el diagrama anterior, durante la operación, el dispositivo de almacenamiento de energía (2) está conectado al voltaje de entrada o transfiere la energía acumulada a la carga. Como resultado, la salida tiene un cierto valor de voltaje promedio, que depende del voltaje de entrada y el ciclo de trabajo [11] de los pulsos de control de tecla (1). El restador-amplificador en el amplificador operacional (4) compara el voltaje de salida con el voltaje de referencia (6) y amplifica la diferencia que se alimenta al modulador (3). Si el voltaje de salida es menor que la referencia, entonces el modulador aumenta la relación entre el tiempo del estado abierto de la llave y el período del generador de reloj (5). Cuando cambia el voltaje de entrada o la corriente de carga, el ciclo de trabajo de los pulsos de control clave cambia de tal manera que garantiza la diferencia mínima entre el voltaje de salida y el de referencia.
En tal estabilizador, la frecuencia de conversión no depende del voltaje de entrada y la corriente de carga y está determinada por la frecuencia del generador de reloj [10] .
Con este método de control, el pulso que abre la llave tiene una duración constante y la tasa de repetición del pulso depende de la señal de desajuste entre los voltajes de referencia y de salida. Cuando la corriente de carga aumenta o el voltaje de entrada disminuye, la frecuencia aumenta. La tecla se puede controlar, por ejemplo, utilizando un multivibrador monoestable (vibrador único) con una frecuencia de disparo controlada.
De acuerdo con el diagrama del circuito de potencia, los estabilizadores de conmutación generalmente se dividen en tres tipos principales: reductores, elevadores e inversores [8] . Tal división se ha desarrollado, en particular, en la literatura técnica nacional [12] .
Algunos autores, considerando los circuitos de convertidores de voltaje de CC pulsados en toda su diversidad, muestran que la cantidad de circuitos básicos elementales del convertidor se puede reducir a dos [13] : tipo reductor y tipo elevador. También se observa que se pueden obtener otros circuitos de un convertidor de voltaje pulsado (incluido un convertidor inversor [14] ) conectando en cascada estos dos circuitos básicos [15][16] .
En los circuitos a continuación , se puede usar un transistor de efecto de campo , un transistor bipolar o un tiristor como llave S , el circuito de control de llave no se muestra por simplicidad. La relación entre el tiempo del estado cerrado de la llave y la suma de las duraciones de los estados cerrado y abierto se denomina ciclo de trabajo (o ciclo de trabajo ) [2] .
Nombres en la literatura inglesa - convertidor reductor (convertidor reductor) . Si el interruptor S está cerrado, entonces el diodo D está cerrado y una corriente creciente fluye a través del inductor L desde la fuente . Cuando se abre el interruptor, la corriente del inductor, que no puede cambiar instantáneamente, comienza a fluir a través del diodo D , mientras que la corriente disminuye. Con suficiente inductancia, la corriente del inductor no tiene tiempo de disminuir a cero al comienzo del siguiente ciclo (modo de corriente continua) y tiene un carácter pulsante . Por lo tanto, incluso en ausencia de un condensador C , el voltaje a través de la carga R tendrá el mismo carácter con ondas, cuya amplitud es menor cuanto mayor sea la inductancia del inductor. Sin embargo, en la práctica, un aumento en la inductancia está asociado con un aumento en el tamaño, peso y costo del inductor y pérdidas de potencia en el mismo, por lo que el uso de un capacitor para reducir la ondulación es más eficiente. La combinación de los elementos L y C en este circuito a menudo se denomina filtro [10] [17] .
Nombres en la literatura inglesa - boost converter (convertidor elevador) . Si el interruptor S está cerrado, entonces el diodo D está cerrado y una corriente que aumenta linealmente fluye desde la fuente a través del inductor L. Cuando se abre el interruptor, la corriente del inductor, que no puede cambiar instantáneamente, comienza a fluir a través del diodo D y el capacitor C (cargándolo). Al comienzo del siguiente ciclo, la corriente decreciente casi linealmente a través del capacitor puede disminuir a cero, sin embargo, el voltaje del capacitor aplicado a la carga R es casi constante: la amplitud de ondulación es menor cuanto mayor es la capacitancia del capacitor. A diferencia del circuito anterior, aquí el inductor no es un elemento filtrante. El voltaje de la carga siempre es mayor que el voltaje de la fuente [10] [18] .
El nombre en la literatura inglesa es convertidor buck-boost (es decir, "convertidor buck-boost"). La principal diferencia con el circuito anterior es que el circuito D , R , C está conectado en paralelo con el estrangulador y no en paralelo con el interruptor. El principio de funcionamiento del circuito es similar. Si el interruptor S está cerrado, entonces el diodo D está cerrado y una corriente que aumenta linealmente fluye desde la fuente a través del inductor L. Cuando se abre el interruptor, la corriente del inductor, que no puede cambiar instantáneamente, comienza a fluir a través del capacitor C (cargándolo) y el diodo D. Al comienzo del siguiente ciclo, la corriente decreciente casi linealmente a través del capacitor puede disminuir a cero, sin embargo, el voltaje del capacitor aplicado a la carga R es casi constante: la amplitud de ondulación es menor cuanto mayor es la capacitancia del capacitor ( el inductor no es un elemento filtrante). El voltaje de carga puede ser mayor o menor que el voltaje de la fuente [10] [19] .
La caída de voltaje directo para los diodos de silicio ordinarios es de aproximadamente 0,7 V, para los diodos Schottky es de aproximadamente 0,4 V. La potencia disipada en el diodo a altas corrientes reduce significativamente la eficiencia, especialmente en reguladores con bajo voltaje de salida. Por lo tanto, en dichos reguladores, el diodo a menudo se reemplaza con un interruptor de semiconductor adicional con una baja caída de voltaje en estado activado, como un FET de potencia .
En los tres esquemas descritos, el diodo D se puede reemplazar con un interruptor adicional [20] que se puede cerrar y abrir en oposición de fase al interruptor principal.
Si se requiere aislamiento galvánico de los circuitos de entrada y salida de un estabilizador de conmutación, por ejemplo, de acuerdo con los requisitos de seguridad eléctrica cuando se usa una red de CA industrial como fuente de alimentación primaria, se puede usar un transformador de aislamiento en los circuitos principales mencionados anteriormente. El uso de un transformador de alta frecuencia en un circuito convertidor de voltaje hacia abajo conduce a un circuito convertidor de un solo extremo o push - pull . Reemplazar el estrangulador en el circuito del convertidor inversor con un estrangulador con dos o más devanados conduce [21] a un circuito convertidor de retorno .
Algunas características de los convertidores de pulsos con aislamiento galvánico de entrada de salida:
El regulador de voltaje de conmutación es una fuente de interferencia de alta frecuencia debido a que contiene interruptores que conmutan la corriente [22] . Por lo tanto, en los momentos de conmutación se producen sobretensiones y corrientes bastante importantes, generando interferencias tanto a la entrada como a la salida del estabilizador, y la interferencia es tanto en antifase como en modo común [3] . Los filtros de supresión de ruido se instalan tanto en la entrada como en la salida del estabilizador.
Para reducir la interferencia, es posible cambiar la llave en los momentos en que no hay corriente a través de la llave cuando está abierta o no hay voltaje en la llave cuando está cerrada. Esta técnica se utiliza en los llamados convertidores resonantes, que también tienen sus inconvenientes [23] [24] .
El regulador de voltaje de conmutación bajo carga tiene una resistencia diferencial negativa de entrada : cuando el voltaje de entrada aumenta, la corriente de entrada disminuye y viceversa. Esto debe tenerse en cuenta para mantener la estabilidad del regulador de voltaje de conmutación de una fuente con mayor resistencia interna [4] [6] .
Los reguladores de voltaje de conmutación (convertidores) discutidos anteriormente convierten la corriente continua en la entrada en una corriente continua en la salida. Para alimentar los dispositivos desde la red de CA, se instalan un rectificador y un filtro suavizante en la entrada .
Esto implica la presencia de un determinado número de elementos instalados antes del transformador de aislamiento y, por tanto, conectados galvánicamente a los circuitos de entrada. Dichos elementos generalmente se distinguen en los tableros ya sea por sombreado o por una línea en la capa de marcado reticular, o incluso por un color especial que advierte a una persona sobre el peligro potencial de tocarlos. Las fuentes de alimentación conmutadas como parte de otros dispositivos (televisores, computadoras) están cerradas con cubiertas protectoras provistas de etiquetas de advertencia. Si al reparar una fuente de alimentación conmutada es necesario encenderla con la tapa quitada, se recomienda encenderla a través de un transformador de aislamiento o RCD .
A menudo, los filtros de supresión de ruido en la entrada de las fuentes de alimentación conmutadas están conectados a la carcasa del dispositivo. Esto se hace si se pretende conectar la tierra de protección del chasis. Si se descuida la puesta a tierra de protección, se forma un potencial con respecto a tierra en la caja del instrumento, igual a la mitad de la tensión de red. Los condensadores de filtro, por regla general, tienen una capacitancia pequeña, por lo que tocar la carcasa de dicho dispositivo no es peligroso para los humanos, pero se nota el contacto simultáneo de partes sensibles del cuerpo con dispositivos conectados a tierra y una carcasa sin conexión a tierra (dicen que el dispositivo “muerde”). Además, el potencial de la carcasa puede ser peligroso para el propio dispositivo.