Kytkentäjännitteen stabilisaattori ( avainjännitestabilisaattori , nimiä käytetään myös pulssimuunnin , kytkentävirtalähde ) - jännitteen stabilaattori , jossa säätöelementti ( avain ) toimii pulssitilassa [1] eli säätöelementti avautuu ajoittain ja sulkeutuu.
Ensisijaisen teholähteen energiaa siirretään säätöelementin kautta tietyissä osissa säätösilmukan antamina siten, että lähtöjännitteen keskiarvo on vakaa. Lähtöjännitteen aaltoilun tasoitus johtuu elementin (tai elementtien yhdistelmän) läsnäolosta, joka pystyy keräämään sähköenergiaa ja toimittamaan sen kuormaan.
Kytkentäjännitteen stabilisaattorilla on lineaariseen stabilisaattoriin verrattuna pienemmät energiahäviöt säätöelementin lämmittämiseen, mikä lisää stabilisaattorin tehokkuutta ja mahdollistaa pienemmän tehonsäätöelementin sekä kooltaan ja painoltaan pienemmän patterin käytön.
Edut:
Virheet:
Kytkentäjännitteen stabilointilaite on automaattinen ohjausjärjestelmä . Säätösilmukan asetusparametri on referenssijännite , jota verrataan stabilisaattorin lähtöjännitteeseen. Virhesignaalista riippuen ohjauslaite muuttaa avaimen auki- ja kiinni-tilojen kestojen suhdetta.
Alla esitetyissä lohkokaavioissa voidaan erottaa kolme toiminnallista yksikköä: avain (1), energian varastointilaite (2) (kutsutaan joskus suodattimeksi [7] ) ja ohjauspiiri. Tässä tapauksessa kytkin (1) ja energian varastointilaite (2) muodostavat yhdessä jännitteen stabilisaattorin teho-osan [8] , jotka yhdessä ohjauspiirin kanssa muodostavat ohjaussilmukan. Ohjauspiirin tyypin mukaan on kolme järjestelmää.
Schmitt-liipaisulla varustettua jännitteen stabilaattoria kutsutaan myös releeksi tai on-off-säätimeksi [9] . Siinä lähtöjännitettä verrataan alempaan ja ylempään Schmittin liipaisukynnykseen (4 ja 3) komparaattorin (4) avulla, joka on yleensä Schmitt-laukaisimen tuloosa. Kun avain (1) suljetaan, syöttöjännite syötetään energian varastointilaitteeseen (2), lähtöjännite kasvaa ja saavutettuaan ylemmän kynnysarvon U max Schmitt-laukaisin siirtyy tilaan, joka avaa avaimen (1 ). Kuormaan kertynyt energia kuluu, kun jännite stabilisaattorin lähdössä laskee, ja saavutettuaan alemman kynnysarvon U min Schmitt-liipaisin kytkeytyy tilaan, joka sulkee kytkimen. Lisäksi kuvattu prosessi toistetaan määräajoin. Tämän seurauksena lähtöön muodostuu sykkivä jännite , jonka aaltoiluamplitudi riippuu Schmitt-liipaisimen kynnysarvojen erosta.
Tällaiselle stabilisaattorille on tunnusomaista suhteellisen suuri, pohjimmiltaan poistumaton jännitteen aaltoilu kuormituksella ja muuttuva muunnostaajuus, riippuen sekä tulojännitteestä että kuormitusvirrasta [10] .
Kuten edellisessä kaaviossa, energian varastointilaite (2) kytketään käytön aikana joko tulojännitteeseen tai siirtää kertyneen energian kuormaan. Tämän seurauksena lähdöllä on tietty keskimääräinen jännitearvo, joka riippuu tulojännitteestä ja näppäinohjauspulssien (1) toimintajaksosta [11] . Operaatiovahvistimen (4) vähennysvahvistin vertaa lähtöjännitettä vertailujännitteeseen (6) ja vahvistaa modulaattoriin ( 3) syötetyn eron. Jos lähtöjännite on pienempi kuin referenssi, niin modulaattori lisää avaimen avoimen tilan ajan suhdetta kellogeneraattorin (5) jaksoon. Tulojännitteen tai kuormitusvirran muuttuessa näppäinohjauspulssien toimintajakso muuttuu siten, että lähtö- ja referenssijännitteen välinen ero on mahdollisimman pieni.
Tällaisessa stabilisaattorissa muunnostaajuus ei riipu tulojännitteestä ja kuormitusvirrasta ja sen määrää kellogeneraattorin taajuus [10] .
Tällä ohjausmenetelmällä näppäimen avaava pulssi on vakiokestoinen ja pulssin toistotaajuus riippuu referenssi- ja lähtöjännitteen välisestä epäsovitussignaalista. Kun kuormitusvirta kasvaa tai tulojännite laskee, taajuus kasvaa. Avainta voidaan ohjata esimerkiksi monostabiililla multivibraattorilla (yksittäisvärähtelijä), jolla on ohjattu laukaisutaajuus.
Tehopiirikaavion mukaan kytkentästabilisaattorit jaetaan yleensä kolmeen päätyyppiin: alas-, step-up- ja invertoiva [8] . Tällainen jako on kehittynyt erityisesti kotimaisessa teknisessä kirjallisuudessa [12] .
Jotkut kirjoittajat, tarkastelevat pulssitoimisten DC-jännitemuuntajien piirejä kaikissa niiden monimuotoisuudessa, osoittavat, että muuntimen perusperuspiirien lukumäärä voidaan vähentää kahteen [13] - alas- ja nostotyyppisiin. On myös huomattava, että muita pulssijännitemuuntimen piirejä (mukaan lukien invertoiva muuntaja [14] ) voidaan saada kaskadiimalla nämä kaksi peruspiiriä [15][16] .
Alla olevissa piireissä kenttätransistoria , bipolaaritransistoria tai tyristoria voidaan käyttää avaimena S , näppäinohjauspiiriä ei ole esitetty yksinkertaisuuden vuoksi. Avaimen suljetun tilan ajan suhdetta suljetun ja avoimen tilan kestojen summaan kutsutaan toimintajaksoksi ( tai käyttöjaksoksi ) [2] .
Nimet englanninkielisessä kirjallisuudessa - buck converter (step-down converter) . Jos kytkin S on kiinni, diodi D on kiinni ja induktorin L läpi lähteestä kulkee kasvava virta . Kun kytkin avautuu, induktorin virta, joka ei voi muuttua hetkessä, alkaa virrata diodin D läpi , kun taas virta pienenee. Riittävällä induktanssilla induktorivirralla ei ole aikaa laskea nollaan seuraavan jakson (jatkuvan virran tila) alkuun mennessä ja se on luonteeltaan sykkivä . Siksi myös kondensaattorin C puuttuessa jännitteellä kuorman R yli on sama luonne aaltoilun kanssa, jonka amplitudi on mitä pienempi, mitä suurempi induktanssi on . Käytännössä induktanssin kasvu liittyy kuitenkin induktorin koon, painon ja kustannusten kasvuun ja siinä oleviin tehohäviöihin, joten kondensaattorin käyttö aaltoilun vähentämiseen on tehokkaampaa. Elementtien L ja C yhdistelmää tässä piirissä kutsutaan usein suodattimeksi [10] [17] .
Nimet englanninkielisessä kirjallisuudessa - boost converter (step-up converter) . Jos kytkin S on kiinni, diodi D on kiinni, ja lähteestä induktorin L kautta kulkee lineaarisesti kasvava virta. Kun kytkin avautuu, induktorin virta, joka ei voi muuttua hetkessä, alkaa virrata diodin D ja kondensaattorin C kautta (lataa sitä). Seuraavan jakson alkuun mennessä kondensaattorin läpi kulkeva lähes lineaarisesti laskeva virta voi laskea nollaan, mutta kuormaan R kohdistuva kondensaattorijännite on lähes vakio - aaltoiluamplitudi on sitä pienempi, mitä suurempi kondensaattorin kapasitanssi on. Toisin kuin edellinen piiri, tässä kela ei ole suodatinelementti. Kuormajännite on aina suurempi kuin lähdejännite [10] [18] .
Englanninkielisen kirjallisuuden nimi on buck-boost converter (eli "buck-boost converter"). Suurin ero edelliseen piiriin on, että piiri D , R , C on kytketty rinnan kuristimen kanssa, ei rinnan kytkimen kanssa. Piirin toimintaperiaate on samanlainen. Jos kytkin S on kiinni, diodi D on kiinni, ja lähteestä induktorin L kautta kulkee lineaarisesti kasvava virta. Kun kytkin avautuu, induktorin virta, joka ei voi muuttua hetkessä, alkaa virrata kondensaattorin C (lataa sitä) ja diodin D läpi. Seuraavan jakson alussa kondensaattorin läpi kulkeva lähes lineaarisesti laskeva virta voi laskea nollaan, mutta kuormaan R kohdistuva kondensaattorijännite on lähes vakio - aaltoiluamplitudi on mitä pienempi, mitä suurempi kondensaattorin kapasitanssi ( induktori ei ole suodatinelementti). Kuormajännite voi olla joko suurempi tai pienempi kuin lähdejännite [10] [19] .
Myötäjännitehäviö tavallisissa piidiodeissa on noin 0,7 V, Schottky-diodeissa noin 0,4 V. Diodissa suurilla virroilla hajoava teho heikentää merkittävästi tehokkuutta, erityisesti matalan lähtöjännitteen säätimissä. Siksi tällaisissa säätimissä diodi korvataan usein ylimääräisellä puolijohdekytkimellä, jolla on pieni jännitehäviö, kuten teho- FET .
Kaikissa kolmessa kuvatussa kaaviossa diodi D voidaan korvata lisäkytkimellä [20] , joka voidaan sulkea ja avata vastavaiheessa pääkytkimeen nähden.
Jos kytkentästabilisaattorin tulo- ja lähtöpiirien galvaaninen eristys vaaditaan - esimerkiksi sähköturvallisuusvaatimusten mukaisesti käytettäessä teollisuuden vaihtovirtaverkkoa ensisijaisena virtalähteenä - edellä käsitellyissä pääpiireissä voidaan käyttää eristysmuuntajaa . Korkeataajuisen muuntajan käyttö jännite -alas-muunninpiirissä johtaa yksipäiseen tai push - puld - muunninpiiriin . Invertoivan muuntimen piirin kuristimen korvaaminen kuristimella, jossa on kaksi tai useampi käämi, johtaa [ 21 ] paluumuunninpiiriin .
Joitakin pulssimuuntimien ominaisuuksia, joissa tulo on galvaanisesti eristetty lähdöstä:
Kytkentäjännitteensäädin on suurtaajuisten häiriöiden lähde, koska se sisältää kytkimiä, jotka kytkevät virtaa [22] . Siksi kytkentähetkellä esiintyy varsin merkittäviä jännite- ja virtapiikkejä, jotka aiheuttavat häiriöitä sekä stabilisaattorin tuloon että ulostuloon, ja häiriö on sekä vastavaihe- että yhteismuotoista [3] . Melunvaimennussuodattimet on asennettu sekä stabilisaattorin tuloon että lähtöön.
Häiriöiden vähentämiseksi on mahdollista vaihtaa avainta silloin, kun avaimessa ei ole virtaa avattaessa tai avaimessa on nollajännite sen ollessa kiinni. Tätä tekniikkaa käytetään ns. resonanssimuuntimissa, joilla on myös haittapuolensa [23] [24] .
Kuormitetun kytkentäjännitteen säätimellä on negatiivinen tulon differentiaalivastus - kun tulojännite kasvaa, tulovirta pienenee ja päinvastoin. Tämä tulee ottaa huomioon, jotta voidaan säilyttää kytkentäjännitteensäätimen stabiilisuus lähteestä, jonka sisäinen vastus on kasvanut [4] [6] .
Yllä mainitut kytkentäjännitesäätimet (muuntimet) muuttavat tulon tasavirran tasavirraksi lähdössä. Laitteiden virran kytkemiseksi verkkovirrasta tuloon on asennettu tasasuuntaaja ja tasoitussuodatin .
Tämä tarkoittaa, että ennen eristysmuuntajaa on asennettu tietty määrä elementtejä, ja siksi ne on kytketty galvaanisesti tulopiireihin. Tällaiset elementit erotetaan tauluissa yleensä joko viivoituksen tai retikulaarisen merkintäkerroksen viivan avulla tai jopa erityisellä värityksellä, joka varoittaa henkilöä mahdollisesta kosketuksen vaarasta. Muiden laitteiden (televisiot, tietokoneet) osana olevat hakkurivirtalähteet on suljettu suojakuorilla, joissa on varoitustarrat. Jos hakkurivirtalähdettä korjattaessa on tarpeen kytkeä se päälle kansi irrotettuna, on suositeltavaa kytkeä se päälle erotusmuuntajan tai RCD :n kautta .
Usein laitteen koteloon liitetään hakkuriteholähteiden sisääntulossa olevat kohinanvaimennussuodattimet. Tämä tehdään, jos se on tarkoitettu liittämään rungon suojamaadoitus. Jos suojamaadoitus jätetään huomiotta, instrumentin koteloon muodostuu potentiaali maahan nähden, joka on puolet verkkojännitteestä. Suodatinkondensaattoreilla on pääsääntöisesti pieni kapasitanssi, joten tällaisen laitteen kotelon koskettaminen ei ole vaarallista ihmisille, mutta herkkien kehon osien samanaikainen koskettaminen maadoitetuilla laitteilla ja maadoittamattomalla kotelolla on havaittavissa (he sanovat, että laite "puree"). Lisäksi kotelossa oleva potentiaali voi olla vaarallinen itse laitteelle.