Το να είσαι α ρυθμιστής μεταγωγής , αυτό το κύκλωμα είναι εξαιρετικά αποδοτικό και δεν θα σπαταλήσει ή θα διασπείρει ενέργεια, σε αντίθεση με τους γραμμικούς ρυθμιστές όπως το IC 7812 ή το IC LM317 ή το IC LM338.
Γιατί οι γραμμικοί ρυθμιστές όπως οι 7812, LM317 και LM338 είναι κακοί μετατροπείς υποβάθμισης;
Οι γραμμικοί ρυθμιστές όπως οι 7812 και LM317 θεωρούνται αναποτελεσματικοί μετατροπείς υποβάθμισης λόγω των λειτουργικών τους χαρακτηριστικών.
Σε έναν γραμμικό ρυθμιστή, η περίσσεια τάσης εισόδου υφίσταται διάχυση με τη μορφή θερμότητας. Αυτό σημαίνει ότι η πτώση τάσης μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου και εξόδου απλώς «καίγεται» ως σπατάλη ενέργειας. Ο γραμμικός ρυθμιστής λειτουργεί ενεργώντας ως μεταβλητή αντίσταση, ρυθμίζοντας την αντίστασή του για να διαχέει την πλεονάζουσα ενέργεια και να ρυθμίζει την τάση εξόδου.
Αυτή η διαδικασία διασποράς οδηγεί σε σημαντική απώλεια ισχύος και χαμηλή απόδοση. Η απόδοση ενός γραμμικού ρυθμιστή καθορίζεται από την αναλογία ισχύος εξόδου προς ισχύ εισόδου. Καθώς η διαφορά τάσης εισόδου-εξόδου αυξάνεται, η ισχύς που διαχέεται ως θερμότητα, που είναι η διαφορά τάσης πολλαπλασιαζόμενη με το ρεύμα εξόδου, αυξάνεται επίσης. Κατά συνέπεια, η απόδοση μειώνεται καθώς αυξάνεται η διαφορά τάσης μεταξύ εισόδου και εξόδου.
Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείται ένας γραμμικός ρυθμιστής για τη ρύθμιση μιας εισόδου 24 V στα 12 V, η περίσσεια 12 V διαχέεται ως θερμότητα. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική σπατάλη ισχύος και να απαιτήσει πρόσθετους μηχανισμούς ψύξης σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν υψηλή ισχύ.
Αντίθετα, οι ρυθμιστές μεταγωγής (όπως π μετατροπείς buck ) είναι πιο αποτελεσματικές για μετατροπή σταδιακά προς τα κάτω. Χρησιμοποιούν έναν συνδυασμό πηνίων, πυκνωτών και διακοπτών για να μετατρέψουν αποτελεσματικά την τάση.
Οι ρυθμιστές μεταγωγής αποθηκεύουν ενέργεια κατά τη διάρκεια μιας φάσης του κύκλου μεταγωγής και την αποδίδουν κατά τη διάρκεια μιας άλλης, ελαχιστοποιώντας έτσι τη διασπορά της ενέργειας ως θερμότητας. Ανάλογα με τον συγκεκριμένο σχεδιασμό, οι ρυθμιστές μεταγωγής μπορούν να επιτύχουν αποδόσεις που κυμαίνονται από 80-95% ή και υψηλότερες.
Εν ολίγοις, ενώ οι γραμμικοί ρυθμιστές όπως ο 7812 και ο LM317 είναι απλοί και οικονομικά αποδοτικοί, δεν είναι η πιο αποτελεσματική επιλογή για σταδιακή μετατροπή όταν η απόδοση ισχύος αποτελεί σημαντική ανησυχία.
Περιγραφή κυκλώματος
Το παρακάτω σχήμα δείχνει το βασικό διάγραμμα του μετατροπέα 24 V σε 12 V.
Ο ρυθμιστής μεταγωγής που χρησιμοποιείται είναι ένα κοινό μοντέλο της Motorola: το μA78S40.
Το παρακάτω σχήμα παρουσιάζει την εσωτερική δομή αυτού του ολοκληρωμένου κυκλώματος, το οποίο περιλαμβάνει διάφορα απαραίτητα εξαρτήματα για έναν ρυθμιστή μεταγωγής: ταλαντωτή, flip-flop, συγκριτής, πηγή αναφοράς τάσης, τρανζίστορ οδήγησης και μεταγωγής.
Επιπλέον, υπάρχει ένας λειτουργικός ενισχυτής που δεν χρειάζεται για αυτήν την εφαρμογή. Το φιλτράρισμα και η εξομάλυνση της τροφοδοσίας αναλαμβάνονται από τους πυκνωτές C3 έως C7.
Ο πυκνωτής C1 καθορίζει τη συχνότητα του ταλαντωτή, ενώ οι αντιστάσεις R1, R5 και R6 βοηθούν στον περιορισμό του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα.
Η τάση στην αντίσταση R1 είναι ανάλογη με το ρεύμα που παρέχεται από τον μετατροπέα.
Ρυθμίζοντας μια διαφορά τάσης περίπου 0,3 V μεταξύ των ακροδεκτών 13 και 14 του μA78S40, οι αντιστάσεις R6 και R7 δημιουργούν έναν διαιρέτη τάσης, επιτρέποντας τον περιορισμό του ρεύματος περίπου στα 5Α.
Η πηγή αναφοράς τάσης, αποσυνδεδεμένη από τον πυκνωτή C2, είναι διαθέσιμη στον ακροδέκτη 8 του IC1.
Αυτή η τάση αναφοράς εφαρμόζεται στη μη αντιστρεπτική είσοδο του εσωτερικού συγκριτή του IC1. Η είσοδος αναστροφής ρυθμίζεται σε δυναμικό ανάλογο με την τάση εξόδου του μετατροπέα.
Για να διατηρείται σταθερή η τάση εξόδου, ο συγκριτής ελέγχει το στάδιο εξόδου του IC1.
Και οι δύο είσοδοι του συγκριτή διατηρούνται στο ίδιο δυναμικό και η τάση εξόδου δίνεται από τον ακόλουθο τύπο:
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].
Η ρυθμιζόμενη αντίσταση Aj1 επιτρέπει τη ρύθμιση της τάσης εξόδου του μετατροπέα στην περιοχή από +10V έως +15V.
Τα δύο τρανζίστορ εξόδου σχηματίζουν ένα ζεύγος Darlington και η διαδοχική εναλλαγή τους ελέγχεται από το flip-flop σε συγχρονισμό με τις ταλαντώσεις του πυκνωτή C1.
Σε συνδυασμό με μια πύλη AND, αυτό το flip-flop ελέγχεται από τον συγκριτή για τη ρύθμιση του χρόνου αγωγιμότητας του σταδίου εξόδου του μA78S40 και τη διατήρηση μιας σταθερής τάσης εξόδου.
Η κορεσμένη ή μπλοκαρισμένη κατάσταση του τρανζίστορ Τ1 ακολουθεί την κατάσταση του ζεύγους Darlington του IC1. Όταν η βαθμίδα εξόδου του IC1 είναι κορεσμένη, το τρανζίστορ T1 πολώνεται και το ρεύμα βάσης του περιορίζεται από την αντίσταση R2.
Η αντίσταση R3, μαζί με την αντίσταση R9, σχηματίζουν έναν διαιρέτη τάσης, περιορίζοντας την τάση VBE του τρανζίστορ Τ1 στην αρχή της διαδικασίας μεταγωγής.
Το τρανζίστορ T1, που λειτουργεί ως μοντέλο Darlington, συμπεριφέρεται ως ανοιχτός ή κλειστός διακόπτης στη συχνότητα του ταλαντωτή του μA78S40.
Ο επαγωγέας L1 επιτρέπει την πτώση τάσης από 24V σε 12V χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες της επαγωγής. Σε σταθερή κατάσταση, όταν το τρανζίστορ T1 είναι κορεσμένο, εφαρμόζεται τάση +12V στο επαγωγέα L1.
Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, η αυτεπαγωγή αποθηκεύει ενέργεια, την οποία απελευθερώνει όταν εξαφανιστεί η εφαρμοζόμενη τάση. Έτσι, όταν το τρανζίστορ Τ1 είναι μπλοκαρισμένο, ο επαγωγέας L1 τείνει να διατηρεί το ρεύμα που ρέει μέσω αυτού.
Η δίοδος D1 γίνεται αγώγιμη και μια αντιηλεκτροκινητική δύναμη -12V εμφανίζεται κατά μήκος του επαγωγέα L1.
