Будучи импульсный регулятор , эта схема очень эффективна и не будет тратить или рассеивать энергию, в отличие от линейных регуляторов, таких как IC 7812, IC LM317 или IC LM338.
Почему линейные регуляторы, такие как 7812, LM317 и LM338, являются плохими понижающими преобразователями?
Линейные стабилизаторы, такие как 7812 и LM317, считаются неэффективными понижающими преобразователями из-за их рабочих характеристик.
В линейном регуляторе избыточное входное напряжение рассеивается в виде тепла. Это означает, что падение напряжения между входной и выходной клеммами просто «сгорает» как потраченная впустую энергия. Линейный регулятор действует как переменный резистор, регулируя свое сопротивление для рассеивания избыточной энергии и регулирования выходного напряжения.
Этот процесс диссипации приводит к значительным потерям мощности и низкому КПД. Эффективность линейного регулятора определяется отношением выходной мощности к входной мощности. По мере увеличения разности входного и выходного напряжения также увеличивается мощность, рассеиваемая в виде тепла, которая представляет собой разность напряжений, умноженную на выходной ток. Следовательно, эффективность уменьшается по мере увеличения разности напряжений между входом и выходом.
Например, при использовании линейного регулятора для понижения входного напряжения 24 В до 12 В избыток 12 В рассеивается в виде тепла. Это может привести к значительным потерям мощности и потребовать дополнительных механизмов охлаждения в приложениях, требующих высокой мощности.
Напротив, импульсные регуляторы (такие как понижающие преобразователи ) более эффективны для понижающего преобразования. В них используется комбинация катушек индуктивности, конденсаторов и переключателей для эффективного преобразования напряжения.
Импульсные регуляторы накапливают энергию во время одной фазы цикла переключения и отдают ее во время другой, тем самым сводя к минимуму рассеивание энергии в виде тепла. В зависимости от конкретной конструкции импульсные стабилизаторы могут достигать КПД в диапазоне 80-95% или даже выше.
Таким образом, хотя линейные стабилизаторы, такие как 7812 и LM317, просты и экономичны, они не являются наиболее эффективным выбором для понижающего преобразования, когда эффективность энергопотребления является серьезной проблемой.
Описание схемы
На рисунке ниже показана принципиальная схема преобразователя 24 В в 12 В.
В качестве импульсного регулятора используется обычная модель Motorola: µA78S40.
На следующем рисунке представлена внутренняя структура этой интегральной схемы, которая включает в себя различные компоненты, необходимые для импульсного стабилизатора: генератор, триггер, компаратор, источник опорного напряжения, драйвер и переключающие транзисторы.
Кроме того, имеется операционный усилитель, который не требуется для этого приложения. Фильтрация и сглаживание напряжения питания осуществляется конденсаторами C3-C7.
Конденсатор C1 определяет частоту генератора, а резисторы R1, R5 и R6 помогают ограничить выходной ток преобразователя.
Напряжение на резисторе R1 пропорционально току, подаваемому преобразователем.
Установив разность напряжений около 0,3 В между выводами 13 и 14 микросхемы µA78S40, резисторы R6 и R7 создают делитель напряжения, позволяющий ограничить ток на уровне около 5 А.
Источник опорного напряжения, развязанный конденсатором C2, доступен на выводе 8 микросхемы IC1.
Это опорное напряжение подается на неинвертирующий вход внутреннего компаратора IC1. На инвертирующий вход устанавливается потенциал, пропорциональный выходному напряжению преобразователя.
Для поддержания постоянного выходного напряжения компаратор управляет выходным каскадом IC1.
Оба входа компаратора поддерживаются при одном и том же потенциале, а выходное напряжение определяется следующей формулой:
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].
Регулируемый резистор Aj1 позволяет регулировать выходное напряжение преобразователя в диапазоне от +10В до +15В.
Два выходных транзистора образуют пару Дарлингтона, и их последовательное переключение управляется триггером синхронно с колебаниями конденсатора С1.
В сочетании с логическим элементом И этот триггер управляется компаратором для регулировки времени проводимости выходного каскада µA78S40 и поддержания постоянного выходного напряжения.
Насыщенное или заблокированное состояние транзистора T1 соответствует состоянию пары Дарлингтона IC1. Когда выходной каскад IC1 насыщается, транзистор T1 смещен, а его базовый ток ограничивается резистором R2.
Резистор R3 вместе с резистором R9 образует делитель напряжения, ограничивающий напряжение VBE транзистора Т1 в начале процесса переключения.
Транзистор T1, работающий по схеме Дарлингтона, ведет себя как открытый или закрытый переключатель на частоте генератора µA78S40.
Катушка индуктивности L1 допускает падение напряжения с 24В до 12В, используя свойства индуктивности. В установившемся режиме, когда транзистор Т1 насыщен, на катушку индуктивности L1 подается напряжение +12 В.
Во время этой фазы индуктивность накапливает энергию, которую она высвобождает, когда приложенное напряжение исчезает. Таким образом, когда транзистор Т1 заблокирован, катушка индуктивности L1 стремится поддерживать ток, протекающий через нее.
Диод D1 становится проводящим, и на катушке индуктивности L1 возникает противоэлектродвижущая сила -12 В.
