Przekształtnik obniżający napięcie BUCK

Przekształtnik jest to urządzenie energoelektroniczne, którego zadaniem jest dopasowanie czasowo-przestrzenne wartości i kształtu przebiegów wielkości elektrycznych źródła energii elektrycznej do optymalnej realizacji procesu jej użytkowania. Zadanie to realizuje przekształtnik poprzez regulację przepływu energii oraz jej przekształcenie. Na Rys. 2.1 przedstawiono ogólny schemat działania przekształtnika.

W zależności od aplikacji energoelektronika dostarcza różnorodnych topologii układów, które można podzielić na cztery kategorie: DC/DC, DC/AC, AC/DC, AC/AC. Oznaczenia tych kategorii pochodzą od skrótów z języka angielskiego DC = direct current, AC = alternating current i oznaczają jaki rodzaj przekształcenia energii następuje w przekształtniku.

Stabilizator zmniejszający wartość napięcia (wartość napięcia wyjściowego jest mniejsza od

wartości napięcia wejściowego).

Na rysunku przedstawiono schemat części przełącznikowej podstawowego układu stabilizatora zmniejszającego wartość napięcia (ang. step-down lub bucking regulator). Aby nie komplikować rysunku, pominięto obwód sprzężenia zwrotnego. Gdy tranzystor MOS jest włączony, na cewce pojawia się napięcie o stałej wartości: (U_we-U_wy), co jest przyczyną liniowego narastania prądu w cewce (przypomnijmy, że dI/dt = U/L). Prąd ten wpływa oczywiście do kondensatora i do obciążenia. Po wyłączeniu tranzystora prąd nadal płynie przez cewkę w tym samym kierunku (cewka opiera się wszelkim gwałtownym zmianom prądu, co wynika chociażby z przypomnianego równania). Obwód prądu zamyka się przez diodę, która wchodzi w stan przewodzenia. Kondensator umieszczony na wyjściu układu pełni funkcję „koła zamachowego" akumulującego energię. Wygładza on piłozębne tętnienia napięcia wyjściowego (im większa jest wartość pojemności kondensatora tym mniejsza jest amplituda napięcia tętnień). W tej fazie wartość napięcia na cewce jest prawie stała i równa (U_wy—0,6) [V], co powoduje liniowe zmniejszenie są prądu w cewce.

Na rysunku przedstawiono przebiegi napięć i prądów występujących w analizowanym układzie. Oczywiście kompletny układ stabilizatora musi zawierać obwód sprzężenia zwrotnego, który będzie zmieniać albo szerokość impulsów doprowadzanych do bramki tranzystora MOS (przy stałej częstości ich powtarzania), albo częstotliwości impulsów (przy stałej ich szerokości).

Sygnałem powodującym

zmianę parametrów ciągu impulsów jest sygnał wyjściowy wzmacniacza błędu, porównującego wartość napięcia wyjściowego stabilizatora z wartością napięcia odniesienia.

Stabilizator zwiększający wartość napięcia (ang. step up lub boosting regulator)

Gdy klucz tranzystorowy jest włączony (potencjał punktu X jest bliski potencjałowi masy), wartość prądu płynącego przez cewkę rośnie liniowo. Po wyłączeniu klucza wartość napięcia w punkcie X gwałtownie rośnie, gdyż musi być spełniony warunek ciągłości prądu płynącego przez cewkę. Dioda zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia i płynie przez nią prąd ładujący kondensator. Wartość napięcia wyjściowego może być wielokrotnie większa od wartości napięcia wejściowego.

Konwertery DC/DC bez indukcyjności

W grupie tej zawarte są układy bazujące na pompie ładunku. Ich cechą jest to, że napięcie wyjściowe może przyjmować dowolną wartość w stosunku do napięcia wejściowego, a więc mniejszą, większą lub o przeciwnej polaryzacji. Cechą konwertera tego typu jest także to, że obciążalność prądowa jest niewielka, a moc wyjściowa w typowym przypadku ograniczona jest do kilkuset miliwatów. Zasilacze z pompą ładunku wykorzystywane są najczęściej do wytwarzania napięcia polaryzacji, na przykład dla interfejsów, czujników lub też używa się je do zasilania układów, w których potrzebne jest pomocnicze napięcie ujemne. Zasilacze z pompą ładunku zawierają generator impulsów prostokątnych pracujący na częstotliwości rzędu kilkudziesięciu lub kilkuset kiloherców (rys. 1). Wytwarzane napięcie zmienne podawane jest następnie na układ powielacza diodowo-kondensatorowego, za pomocą którego uzyskuje się pożądane napięcie wyjściowe. W ten sposób działa znany układ tego typu MAX232 wykorzystywany w interfejsie RS232 do wytwarzania napięcia ujemnego oraz cały szereg przetwornic scalonych dostępnych na rynku. Brak indukcyjności jest główną zaletą takich zasilaczy, dzięki czemu mogą one zostać scalone. Niemniej sprawność przetwarzania jest niska, wartość napięcia wyjściowego silnie zależy od obciążenia, co sprawia kłopot z jego stabilizacją i zmusza do rozbudowy układu. Ostatnio konwertery z pompą ładunku pojawiają się przy okazji zasilaczy do jasnych diod LED.

---