Pri linearnih stabiliziranih usmernikih je zelo optimistično pričakovati izkoristek več kot 40 %, pri zelo slabo načrtovanih primerkih pa je ta odstotek lahko celo pod 20 %. Morda nas to niti ne moti preveč, če imamo na razpolago omrežno napetost in si lahko privoščimo, da nam več kot polovica energije »izpuhti« v zrak.
Vendar si poglejmo in izračunajmo na primer porabo neke napravice, ki je priključena vse leto neprekinjeno. To je lahko alarmna naprava, računalnik, mrežni usmerjevalnik (router) in še bi lahko naštevali. Nekaterih naprav preprosto nikoli ne izklopimo, ker ves čas zahtevamo njihovo polno funkcionalnost. Čeprav gre pri teh napravah za manjše moči, je njeno delovanje z več kot 50 % čiste izgube absolutno preveč in problem kar sam kliče po spremembah, ki bi prinesle boljši izkoristek. Rešitev je stikalni regulator, ki ima izkoristek tipično okrog 80%, v idealnih pogojih pa se približa tudi 95 %!
Si predstavljate, da bi prenosna naprava, ki za svoje delovanje uporablja baterijsko napajanje, več kot polovico razpoložljive energije pretvorila v nekoristno toploto? Morda bi bilo ob takšni napravi vredno razmisliti o tem, da bi jo reklamirali in prodajali kot prenosni baterijsko podprt grelec! Pri baterijsko napajanih napravah šteje vsak µW, zato sta optimizacija porabe in čim boljši izkoristek energije še toliko bolj pomembna.
Uporaba stikalnih regulatorjev je še posebno smiselna tam, kjer je razlika med vhodno in izhodno napetostjo regulatorja zelo velika ali pa gre za priključitev bremen z veliko porabo. Uporabljata se dve vezavi stikalnih regulatorjev: serijska in paralelna.
Serijski stikalni regulator
Začeli bomo s serijsko vezavo, ki jo imenujemo tudi step-down ali buck. Če je stikalo v nekem časovnem obdobju T (T = TVKL +TIZK) del časa sklenjeno (TVKL) in del časa razklenjeno ( TIZK), dobimo na izhodu napetost, ki je vedno manjša od vhodne napetosti in jo lahko izračunamo s formulo 1.
Matematično je sicer mogoče dobiti na izhodu enako napetost, kot je priključena na vhodu, ker pa kot stikalo uporabljamo polprevodniške elemente (BJT, MOSFET), med prevajanjem toka na njih kljub majhni upornosti nastane nek padec napetosti. Valovita izhodna napetost bo imela amplitudo vhodne napetosti, zmanjšane za padec napetosti na stikalnem elementu (slika 2). Z neprenehoma prekinjeno napetostjo, kot jo vidimo na sliki 2 večina elektronskih naprav ne bi delovala, zato jo je potrebno primerno »obdelati« in prilagoditi, da dobimo neko uporabno napajalno napetost.
Za zmanjšanje valovitosti lahko v tokokrog povežemo LC filter, ki ga tvorita dušilka L1 in kondenzator C1, s čimer dobimo na bremenu napetost, ki je podobna napetosti na sliki 6. Ko tranzistorsko stikalo prekine tok, postane vhodni priključek L1 bolj negativen, ker se tok skozi tuljavo ne more v trenutku ustaviti. Dioda D1 začne prevajati, ko postane potencial na njeni katodi dovolj negativen in povzroči, da postane dioda polarizirana v prevodni smeri. Ko je tranzistor izklopljen se breme torej napaja iz L1.Če je induktivnost tuljavice L1 je dovolj velika, se bo tok v L1 po izklopu tranzistorja zelo malo spremenil in bo skoraj enak izhodnemu toku skozi breme IIZH = UIZH/RL. Ko tranzistor spet začne prevajati, dioda D1 ni več polarizirana v prevodni smeri, zato tudi ne prevaja več. Breme se spet začne napajati prek sklenjenega tranzistorskega stikala. Serijski stikalni pretvornik se obnaša kot transformator, kjer se ob neki vhodni napetosti UVH pri nekem povprečnem toku (ki je odvisen od razmerja Tvk – Tizk) pretransformira v neko nižjo napetost UIZH = UVH (TVKL / T), pri tem pa se poveča izhodni tok. Če zanemarimo izgube na stikalnem tranzistorju in diodi, bosta vhodna in izhodna moč takšnega regulatorja enaki.
Elektronika za začetnike – Napajanje elektronskih vezij III.(19)
2011_SE185_48
Članek iz revije: 185_48-55
Tiskana vezja 2011_SE185
