Spínaný stabilizátor napětí
Z PanWiki
Obsah |
Spínaný stabilizátor napětí
Srovnání sériového a spínaného stabilizátoru napětí
Hlavní nevýhodou sériového stabilizátoru napětí je skutečnost, že na sériovém regulačním prvku (tranzistoru) se tráví výkon rovný součinu výstupního proudu a rozdílu vstupního a výstupního napětí. Tento výkon se přeměňuje na nežádoucí teplo, které je nutné odvést ze zařízení.
Ve spínaném stabilizátoru sériový regulační prvek pracuje ve spínacím režimu - proud prochází při minimálním napětí (stav saturace) a napětí je na regulačním prvku při minimálním proudu (rozepnutý stav). Rozptylovaný tepelný výkon má minimální hodnotu. Nevýhodou spínaného stabilizátoru je vznik zvlnění výstupního napětí způsobeného principem činnosti. Uvedenou nevýhodu je nutné účinně potlačit výstupním LC filtrem.
Spínaný stabilizátor umožňuje rozměrově menší a lehčí konstrukci zařízení než sériový stabilizátor napětí. Vyskytuje se v různých obměnách v moderních elektronických zařízeních. V tomto článku je blíže popsán princip na jednoduchém obvodu typu LM2575. Podobná zapojení jsou součástí i jiných složitějších součástek.
Princip spínaného stabilizátoru napětí
Spínaný stabilizátor je v principu nejjednodušším spínaným zdrojem typu propustného měniče snižujícího napětí (Buck nebo Step-Down Converter Forward Mode). Základní principiální zapojení je na obr.1
Funkce tohoto regulátoru probíhá ve dvou fázích:
1.cívka připojena na zdroj napětí
Na druhé svorce cívky je výstupní uzel o výstupním napětí. Na cívce je napětí o velikosti rozdílu vstupního a výstupního napětí. Proud cívkou stoupá, roste energie akumulovaná v magnetickém poli v jádře cívky. Pro velkou indukčnost cívky lze v idealizovaném případu považovat nárůst proudu za lineární - viz obr.2.
Kondenzátor zmenšuje kolísání napětí na výstupu tím, že akumuluje náboj odpovídající ploše trojúhelníka pod grafem proudu cívkou. Velikost změny napětí během nárůstu proudu bude rovna:
2.cívka zkratována na společnou svorku Ve druhé fázi cívka dodává do zátěže energii získanou z magntického pole ve svém jádře. Na cívce je shodné napětí s napětím na zátěži. Proud cívkou klesá, protože klesá energie akumulovaná v magnetickém poli v jádře cívky. Pro velkou indukčnost cívky lze v idealizovaném případu považovat pokles proudu za lineární - viz obr.2. Změna proudu během této doby je rovna:
Kondenzátor zmenšuje kolísání napětí na výstupu tím, že část akumulovaného náboje odpovídající ploše trojúhelníka pod grafem proudu cívkou dodává do zátěže. Velikost změny napětí během poklesu proudu bude rovna:
Poměr výstupního vstupního napětí je určen střídou přepínaní.
,
kde T je perioda spínání. Regulace výstupního napětí spočívá ve změnách střídy přepínání.
Realizace spínaného stabilizátoru napětí obvodem typu LM2575
Ve skutečném integrovaném stabilizátoru je přepínač realizován tranzistorem a diodou (viz obr.3)
Tranzistor je sepnut po dobu ton řídícími obvody. Po dobu toff je sepnuta dioda napětím indukovaným na cívce. Proud cívkou je dán energií akumulovanou v jádře cívky. Proto proud cívkou se nemůže měnit skokem a napětí indukované na cívce podporuje udržení proudu cívkou až do vyčerpání energie magnetického pole v jádře cívky.
Skutečné blokové schéma stabilizátoru je uvedeno na obr.4
Blokové schéma vysvětluje funkci spínaného stabilizátoru s nejjednoduššími základními periferními prvky. Napětí na výstupu stabilizátoru je děleno děličem napětí tvořeným rezistory R1 a R2. Struktura umožňuje dostavení hodnoty R2 a tím určení výstupního napětí.
Výstupní napětí děliče je porovnáváno s napětím vnitřního referenčního zdroje a odchylka je zesilována zesilovačem. Výstup zesilovače je veden na vstup komparátoru, na jehož druhý vstup je přiveden signál oscilátoru o pilovém časovém průběhu. Na výstupu komparátoru se tak získává napětí obdélníkového průběhu se střídou modulovanou vstupním napětím. Tímto signálem je ovládán klopný obvod, který řídí řadič spínacích tranzistorů. Na konci periody je klopný obvod uváděn do klidového stavu pomocným signálem oscilátoru.
Tepelná ochrana je založena na nárůstu klidového proudu v bipolárním tranzistoru. Při překročení prahové hodnoty blokuje činnost řadiče spínacích tranzistorů. Proudová ochrana srovnává úbytek napětí na odporu v kolektoru spínacího tranzistoru s vnitřní referencí. Po překročení prahové hodnoty nedovolí překlopení klopného obvodu.
Vlastní spínací tranzistor je tvořen paralelní strukturou dvou tranzistorů. Pro správnou funkci je nutná dokonalá shoda parametrů obou tranzistorů. Toho lze dosáhnout souběžnou výrobou obou tranzistorů na společném čipu technologiemi výroby monolitických obvodů.
Další podrobnosti a aplikační poznámky lze nalézt v katalogovém listu obvodu typu LM2575 dostupném na stránkách výrobců nebo distributorů (např. ON Semicoductor®)
