Régulateurs de tension de commutation

Dans les régulateurs de tension à impulsions (convertisseurs), l'élément actif (généralement un transistor à effet de champ) fonctionne en mode impulsionnel: l'interrupteur de commande s'ouvre et se ferme alternativement, fournissant la tension d'alimentation avec des impulsions à l'élément accumulateur d'énergie. En conséquence, les impulsions de courant sont alimentées via une self (ou via un transformateur, selon la topologie d'un régulateur à découpage particulier), qui agit souvent comme un élément qui accumule, convertit et libère de l'énergie dans le circuit de charge.

Les impulsions ont certains paramètres de temps : elles suivent avec une certaine fréquence et ont une certaine durée. Ces paramètres dépendent de la taille de la charge qui est actuellement alimentée par le stabilisateur, puisque c'est le courant moyen de l'inductance qui charge le condensateur de sortie et alimente réellement la charge qui lui est connectée.

Dans la structure d'un stabilisateur d'impulsions, on distingue trois unités fonctionnelles principales : un interrupteur, un dispositif de stockage d'énergie et un circuit de commande.Les deux premiers nœuds forment une section de puissance qui, avec le troisième, forme un circuit de conversion de tension complet. Parfois, le commutateur peut être réalisé dans le même boîtier que le circuit de commande.

Ainsi, le travail du convertisseur d'impulsions est effectué en raison de la fermeture et de l'ouverture clé électronique… Lorsque l'interrupteur est fermé, le dispositif de stockage d'énergie (starter) est connecté à la source d'alimentation et stocke l'énergie, et lorsqu'il est ouvert, le dispositif de stockage est déconnecté de la source et immédiatement connecté au circuit de charge, après quoi l'énergie est transféré au condensateur de filtrage et à la charge.

En conséquence, une certaine valeur moyenne de la tension agit sur la charge, qui dépend de la durée et de la fréquence de répétition des impulsions de commande. Le courant dépend de la charge dont la valeur ne doit pas dépasser la limite admissible pour ce convertisseur.

PWM et PWM

Le principe de stabilisation de la tension de sortie du convertisseur d'impulsions repose sur une comparaison continue de la tension de sortie avec la tension de référence, et en fonction de l'écart de ces tensions, le circuit de commande rétablit automatiquement le rapport de la durée de l'ouverture et de la états fermés de l'interrupteur (il modifie la largeur des impulsions de commande avec modulation de largeur d'impulsion — PWM) ou modifie le taux de répétition de ces impulsions, en maintenant leur durée constante (au moyen de la modulation de fréquence d'impulsions - PFM). La tension de sortie est généralement mesurée avec un diviseur résistif.

Supposons que la tension de sortie sous charge diminue à un moment donné, devienne inférieure à la valeur nominale.Dans ce cas, le contrôleur PWM augmentera automatiquement la largeur d'impulsion, c'est-à-dire que les processus de stockage d'énergie dans le starter deviendront plus longs et, par conséquent, plus d'énergie sera transférée à la charge. En conséquence, la tension de sortie reviendra à la valeur nominale.

Si la stabilisation fonctionne selon le principe du PFM, alors avec une diminution de la tension de sortie sous charge, le taux de répétition des impulsions augmentera. En conséquence, plus de parties d'énergie seront transférées à la charge et la tension sera égale à la puissance requise. Ici, il serait approprié de dire que le rapport de la durée de l'état fermé de l'interrupteur à la somme de la durée de ses états fermé et ouvert est ce que l'on appelle le rapport cyclique DC.

En général, les convertisseurs d'impulsions sont disponibles avec et sans isolation galvanique.Dans cet article, nous examinerons les circuits de base sans isolation galvanique : les convertisseurs boost, buck et inverseurs. Dans les formules, Vin est la tension d'entrée, Vout est la tension de sortie et DC est le rapport cyclique.

Convertisseur abaisseur-convertisseur abaisseur non isolé galvaniquement

La touche T ferme. Lorsque l'interrupteur est fermé, la diode D est verrouillée, le courant circule Manette de Gaz L et à travers la charge R commence à augmenter. La clé s'ouvre. Lorsque l'interrupteur est ouvert, le courant à travers le starter et à travers la charge, bien qu'il diminue, continue de circuler, car il ne peut pas disparaître instantanément, seulement maintenant le circuit est fermé non pas à travers l'interrupteur, mais à travers la diode qui s'est ouverte.

L'interrupteur se referme.Si pendant le temps où l'interrupteur était ouvert, le courant à travers le starter n'a pas eu le temps de tomber à zéro, alors maintenant il augmente à nouveau.Ainsi, à travers le starter et à travers la charge, il agit tout le temps courant pulsé (s'il n'y avait pas de condensateur). Le condensateur lisse les ondulations afin que le courant de charge soit presque constant.

La tension de sortie dans un convertisseur de ce type est toujours inférieure à la tension d'entrée, qui est ici pratiquement partagée entre la self et la charge. Sa valeur théorique (pour un convertisseur idéal, sans tenir compte des pertes des interrupteurs et des diodes) peut être trouvée à l'aide de la formule suivante :

Convertisseur boost sans isolation galvanique - convertisseur boost

L'interrupteur T est fermé. Lorsque l'interrupteur est fermé, la diode D est fermée, le courant traversant l'inductance L commence à augmenter. La clé s'ouvre. Le courant continue de circuler à travers l'inductance, mais maintenant à travers une diode ouverte et la tension aux bornes de l'inductance est ajoutée à la tension de la source. La tension constante aux bornes de la charge R est maintenue par le condensateur C.

L'interrupteur se ferme, le courant de starter augmente à nouveau. La tension de sortie d'un convertisseur de ce type est toujours supérieure à la tension d'entrée car la tension aux bornes de l'inductance s'ajoute à la tension de la source. La valeur théorique de la tension de sortie (pour un convertisseur idéal) peut être trouvée à l'aide de la formule :

Convertisseur inverseur sans isolation galvanique-buck-boost-converter

L'interrupteur T est fermé. La self L stocke de l'énergie, la diode D est fermée. L'interrupteur est ouvert - le starter alimente le condensateur C et la charge R. La tension de sortie a ici une polarité négative.Sa valeur peut être trouvée (pour le cas idéal) par la formule :

Contrairement aux stabilisateurs linéaires, les stabilisateurs à commutation ont une efficacité plus élevée en raison d'un échauffement moindre des éléments actifs et nécessitent donc une surface de radiateur plus petite. Les inconvénients typiques des stabilisateurs à découpage sont la présence de bruit impulsionnel dans les circuits de sortie et d'entrée, ainsi que des transitoires plus longs.