Madaldav pingemuundur

Madaldav pingemuundur (ingl buck converter) on induktiivse salvestiga (induktiivpooliga) alalispingemuundur, mille abil muundatakse sisend-alalispinge madalama väärtusega väljund-alalispingeks. Muundatava alalispinge allikaks võib olla näiteks 12 V alalis-väljundpingega aku või võrgutoiteplokk, kui sellest on vaja toita elektroonikaseadme madalama pingega komponente, näiteks protsessorit pingega 1,2–3,5 V. Pingemadaldusmuundurit kasutatakse ka leedlampide toiteahelas, alalisvoolumootori pöörlemiskiiruse reguleerimiseks jm. Pingemuunduri keskne element on MOSFET-transistoril põhinev transistorlüliti (skeemil kujutatud avatud lüliti tingmärgiga), mis saab tüürlülituselt (pole skeemil näidatud) korrapäraselt sisse- ja väljalülitavaid signaale, kusjuures lülitussagedus (töötsüklite arv sekundis) võib ulatuda miljonini. Iga tsükli kestel teisaldatakse pingeallikast Us energiasalvestite – induktiivpooli ja kondensaatori – vahendusel väljundisse (koormusele Rk) teatud kogus energiat elektrilaenguna E = L I L 2 2 , {\displaystyle E={LI_{L}^{2} \over 2},} kus L on pooli induktiivsus ja IL seda läbiva voolu tugevus. Muunduri väljundpinge väärtus oleneb sellest, kui pikalt on iga kommutatsiooniperioodi (töötsükli) kestel lüliti suletud olekus (lülitustransistor juhtiv). Niiviisi saab valida vajaliku väljundpinge ja hoida seda (tagasisideahela abil) võimalikult püsivana ka muutuva koormustakistuse korral. Sel ajavahemikul, kui lüliti on sisselülitatud olekus (suletud), läheb vool koormusele läbi pooli, ühtlasi seda laadides; diood voolu ei juhi (sest pinge pluss on tema katoodil). Lüliti väljalülitatud oleku ajal saab koormus jätkuvalt voolu, nüüd aga pooli salvestunud energia arvel läbi dioodi ja kondensaatori. Diood on sel juhul pingestatud pärisuunas (seega juhtiv), sest vooluahela katkestamisel tekib poolis vastassuunaline eneseinduktsiooni elektromotoorjõud. Induktiivpool ja kondensaator moodustavad teist järku madalpääsfiltri, mis eraldab lüliti abil tekitatud ristkülikpingest alaliskomponendi. Selle komponendi väärtus, mis iseloomustab väljundpinge pulsatsiooni, oleneb lülitussagedusest, täitetegurist (väljalülitatud oleku suhtelisest kestusest) ja muidugi energiamahutite parameetritest. Kui on vaja eriti püsivat pinget ja seda ka muutuva koormuse korral, võib siiski tekkida vajadus täiendava LC-silufiltri järele. Kas muundur töötab pidevas või katkendlikus režiimis, sõltub pooli induktiivsusest ja lülitussagedusest, samuti sisend- ja väljundpingest ning koormusvoolust. Pidevale režiimile on iseloomulik, et pooli salvestatud magnetvälja energiat ei tarbita lõplikult ära enne uue laadimistsükli algust. Pooli läbiva voolu tugevus ei muutu nulliks. Jooniselt on näha, et lüliti avamise hetkeks jõuab voolutugevus poolis maksimumväärtuseni – energia on maksimaalne. Avatud oleku ajal toimub energia ülekanne koormusele ning voolutugevus poolis hakkab vähenema; see toimub hetkeni, mil lüliti uuesti suletakse ja pool ühendatakse laadimiseks pingeallikaga. Pideva režiimi korral rakendatakse väljundpinge reguleerimiseks kõige sagedamini pulsilaiusmodulatsiooni (PWM). Sel puhul muudetakse lüliti avatud oleku kestust, mida väljendatakse täiteteguriga. Antud režiimis on pinge ideaalse pingemuunduri väljundis U v = k U s , {\displaystyle U_{v}={kU_{s}},} kus k {\displaystyle k} – täitetegur ja U s {\displaystyle U_{s}} – sisendpinge. Seega sõltub väljundpinge lineaarselt sisendpingest. Täiteteguri muutmisega vahemikus 0–1 saab madaldada väljundpinget soovitud väärtuseni (näiteks 12 V sisendpinge muundamisel 3 voldini peab ideaalse pingemuunduri täitetegur olema 0,25). Katkendlikku režiimi iseloomustab see, et induktiivpooli salvestatud magnetvälja energia tarbitakse ära enne uue laadimistsükli algust. Pooli läbiva voolu tugevus jõuab muutuda nulliks. Siis pinge ideaalse pingemuunduri väljundis U v = U s 1 2 L I v k 2 U s T + 1 , {\displaystyle U_{v}=U_{s}{1 \over {2LI_{v} \over k^{2}U_{s}T}+1},} kus I v {\displaystyle I_{v}} on voolutugevus väljundis. Näeme, et selles režiimis on väljundpinge määratud palju keerukama võrrandiga, sõltudes lisaks sisendpingele ja täitetegurile veel pooli induktiivsusest, kommutatsiooniperioodist ja voolutugevusest väljundis. Tüüpilised lülitussagedused jääva vahemikku 20–500 kHz. Kõrgema lülitussageduse korral saab kasutada väiksemaid komponente, sest induktiivpool ja kondensaator suudavad ajaühikus mahutada rohkem energiat. Koos sagedusega aga suurenevad komponentides tekkivad kaod ja ka kõrgsagedushäired, ühtlasi võib väheneda kasutegur. Vaadeldava pingemuunduri kasutegur on ka kõrge lülitussageduse juures küllalt hea (üle 90%). Kuna niisuguse muunduri korral on sisendvool väiksem kui väljundvool, siis on kasutegur parem kui näiteks pingestabilisaatoril, kus sisendist läheb läbi reguleeriva jadatransistori väljundisse ühetugevune vool (rääkimata pingejaguri või eeltakistiga pingemadalduslülitustest). Madaldavate pingemuundurite realiseerimiseks toodetakse mitut tüüpi kiipe, millele on vaja lisada vaid mõned komponendid, nt takistid väljundpinge seadmiseks. Joonisel on ühe niisuguse pingemadaldusmuunduri skeem LT1073 baasil. See muundur koosneb kiibist (mikroskeem LT1073), induktiivpoolist (L1), elektrolüütkondensaatoritest (C1 ja C2), Schottky dioodist (D1) ja kolmest takistist (R1, R2, R3). Kiip LT1073 võib töötada nii pinget tõstvas kui ka pinget madaldavas režiimis. Pinget madaldava muunduri korral võib sisendpinge Vin olla kuni 36 V, (pinget kõrgendavas režiimis kuni 15 V). Kui kiibi koosseisu kuuluv pingeregulaator lüliti sulgeb (s.t muudab transistorlüliti juhtivaks), siis pinge klemmil SW2 (transistori emitteril) tõuseb väärtuseni: V I N − V S W {\displaystyle V_{IN}-V_{SW}} . See tekitab poolil L1 pinge V I N − V S W − V O U T {\displaystyle V_{IN}-V_{SW}-V_{OUT}} , mistõttu pooli läbib tugevam vool, mille väärtus lüliti avamise hetkel on määratud valemiga I p e a k = ( V I N − V S W − V O U T ) L 1 T O N , {\displaystyle I_{peak}={(V_{IN}-V_{SW}-V_{OUT}) \over L_{1}}T_{ON},} kus VIN – sisendpinge, VSW – transistori emitteripinge, VOUT – väljundpinge, tON – aeg, mil lüliti on suletud, L1 – induktiivsus. Lüliti avanemise järel langeb pinge klemmil SW2 kiiresti. D1 lülitub tööle, kui pinge on alanenud −0,4 V-ni. D1 peab olema Schottky diood, sest pinge klemmil SW2 ei tohi kunagi minna alla –0,5 V (kuna see rikuks kiibi). Pinge väljundis on paika pandud takistuste R1 ja R2 suhtega: U O U T = ( 1 + R 2 R 1 ) 212 mV {\displaystyle U_{OUT}=(1+{R2 \over R1})212\;{\text{mV}}} , kus 212 mV on võrdluspinge. Takisti R3 paneb paika voolutugevuse piiri; 220 Ω korral avaneb lüliti, kui voolutugevus jõuab 400 mA-ni. Elektrolüütkondensaator C2 toiteallika ja maa vahel on elektriliseks lahtisidestuseks ning kondensaatoriga C1 silutakse väljundpinge amplituudi. Lineaarne pingestabilisaator Inductor Buck Converter Equations Ivo Müürsepp, IRO0060 loenguslaidid, Loeng 10 (Pingemuundurid) https://web.archive.org/web/20161229122850/http://rohmfs.rohm.com/en/products/databook/catalog/ic/dcdc_selection_guide-e.pdf DC/DC Converters Selection Guide Mikrokontrolleri LT 1073 kasutusjuhend