Een Zijn schakelende regelaar , dit circuit is zeer efficiënt en verspilt of dissipeert geen energie, in tegenstelling tot lineaire regelaars zoals IC 7812, of IC LM317 of IC LM338.
Waarom lineaire regelaars zoals 7812, LM317 en LM338 slechte step-down-converters zijn?
Lineaire regelaars zoals de 7812 en LM317 worden beschouwd als inefficiënte step-down converters vanwege hun operationele kenmerken.
In een lineaire regelaar ondergaat de overtollige ingangsspanning dissipatie in de vorm van warmte. Dit houdt in dat de spanningsval tussen de ingangs- en uitgangsaansluitingen simpelweg wordt 'verbrand' als verspilde energie. De lineaire regelaar functioneert door te werken als een variabele weerstand, die zijn weerstand aanpast om de overtollige energie af te voeren en de uitgangsspanning te regelen.
Dit dissipatieproces leidt tot aanzienlijk vermogensverlies en een laag rendement. De efficiëntie van een lineaire regelaar wordt bepaald door de verhouding tussen uitgangsvermogen en ingangsvermogen. Naarmate het ingangs-uitgangsspanningsverschil toeneemt, neemt ook het als warmte gedissipeerde vermogen toe, wat het spanningsverschil vermenigvuldigd met de uitgangsstroom is. Bijgevolg neemt de efficiëntie af naarmate het spanningsverschil tussen input en output stijgt.
Als u bijvoorbeeld een lineaire regelaar gebruikt om een ingang van 24 V te regelen tot 12 V, wordt de overtollige 12 V afgevoerd als warmte. Dit kan leiden tot aanzienlijke stroomverspilling en maakt extra koelmechanismen noodzakelijk in toepassingen met een hoog vermogen.
Schakelregelaars daarentegen (zoals buck-converters ) zijn efficiënter voor step-down conversie. Ze gebruiken een combinatie van inductoren, condensatoren en schakelaars om de spanning efficiënt om te zetten.
Schakelregelaars slaan energie op tijdens de ene fase van de schakelcyclus en leveren deze af tijdens een andere, waardoor de dissipatie van energie als warmte wordt geminimaliseerd. Afhankelijk van het specifieke ontwerp kunnen schakelende regelaars rendementen bereiken van 80-95% of zelfs hoger.
Samenvattend, terwijl lineaire regelaars zoals de 7812 en LM317 eenvoudig en kosteneffectief zijn, zijn ze niet de meest efficiënte keuze voor step-down conversie wanneer energie-efficiëntie een groot probleem is.
Circuitbeschrijving
Onderstaande figuur toont het basisschema van de 24 V naar 12 V omvormer.
De gebruikte schakelende regelaar is een gangbaar model van Motorola: de µA78S40.
De volgende afbeelding toont de interne structuur van deze geïntegreerde schakeling, die verschillende noodzakelijke componenten bevat voor een schakelende regelaar: oscillator, flip-flop, comparator, spanningsreferentiebron, driver en schakeltransistors.
Bovendien is er een operationele versterker die niet nodig is voor deze toepassing. Filtering en afvlakking van de voeding worden verzorgd door condensatoren C3 tot C7.
Condensator C1 bepaalt de frequentie van de oscillator, terwijl weerstanden R1, R5 en R6 de uitgangsstroom van de omvormer helpen beperken.
De spanning over weerstand R1 is evenredig met de door de omvormer geleverde stroom.
Door een spanningsverschil in te stellen van ongeveer 0,3 V tussen pin 13 en 14 van de µA78S40, creëren weerstanden R6 en R7 een spanningsdeler, waardoor stroombegrenzing kan optreden rond de 5A.
De spanningsreferentiebron, ontkoppeld door condensator C2, is beschikbaar op pin 8 van IC1.
Deze referentiespanning wordt aangelegd aan de niet-inverterende ingang van de interne comparator van IC1. De inverterende ingang is ingesteld op een potentiaal die evenredig is met de uitgangsspanning van de omvormer.
Om een constante uitgangsspanning te behouden, regelt de comparator de eindtrap van IC1.
Beide ingangen van de comparator worden op hetzelfde potentiaal gehouden en de uitgangsspanning wordt gegeven door de volgende formule:
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].
Met de instelbare weerstand Aj1 kan de uitgangsspanning van de omvormer worden aangepast in het bereik van +10V tot +15V.
De twee uitgangstransistors vormen een Darlington-paar en hun opeenvolgende schakeling wordt bestuurd door de flip-flop synchroon met de oscillaties van condensator C1.
In combinatie met een EN-poort wordt deze flip-flop bestuurd door de comparator om de geleidingstijd van de uitgangstrap van de µA78S40 aan te passen en een constante uitgangsspanning te behouden.
De verzadigde of geblokkeerde toestand van transistor T1 volgt de toestand van het Darlington-paar van IC1. Wanneer de uitgangstrap van IC1 verzadigd is, staat transistor T1 vooringesteld en wordt zijn basisstroom begrensd door weerstand R2.
Weerstand R3 vormt samen met weerstand R9 een spanningsdeler, die de VBE-spanning van transistor T1 aan het begin van het schakelproces begrenst.
Transistor T1, die fungeert als een Darlington-model, gedraagt zich als een open of gesloten schakelaar op de frequentie van de oscillator van de µA78S40.
De inductor L1 zorgt voor de spanningsval van 24V naar 12V met behulp van de eigenschappen van inductantie. In een stabiele toestand, wanneer transistor T1 verzadigd is, wordt een spanning van +12V aangelegd over inductor L1.
Tijdens deze fase slaat de inductantie energie op, die vrijkomt wanneer de aangelegde spanning verdwijnt. Dus wanneer transistor T1 wordt geblokkeerd, heeft inductor L1 de neiging om de stroom die er doorheen vloeit in stand te houden.
Diode D1 wordt geleidend en er verschijnt een tegenelektromotorische kracht van -12V over inductor L1.
