Essere un regolatore di commutazione , questo circuito è altamente efficiente e non spreca né dissipa energia, a differenza dei regolatori lineari come IC 7812, o IC LM317 o IC LM338.
Perché i regolatori lineari come 7812, LM317 e LM338 sono cattivi convertitori step-down?
I regolatori lineari come il 7812 e l'LM317 sono considerati convertitori step-down inefficienti a causa delle loro caratteristiche operative.
In un regolatore lineare, l'eccesso di tensione in ingresso va incontro a dissipazione sotto forma di calore. Ciò implica che la caduta di tensione tra i terminali di ingresso e di uscita viene semplicemente 'bruciata' come energia sprecata. Il regolatore lineare funziona agendo come un resistore variabile, regolando la sua resistenza per dissipare l'energia in eccesso e regolare la tensione di uscita.
Questo processo di dissipazione comporta notevoli perdite di potenza e bassa efficienza. L'efficienza di un regolatore lineare è determinata dal rapporto tra potenza in uscita e potenza in ingresso. All'aumentare della differenza di tensione ingresso-uscita, aumenta anche la potenza dissipata sotto forma di calore, che è la differenza di tensione moltiplicata per la corrente di uscita. Di conseguenza, l'efficienza diminuisce all'aumentare del differenziale di tensione tra ingresso e uscita.
Ad esempio, quando si utilizza un regolatore lineare per regolare un ingresso da 24 V fino a 12 V, i 12 V in eccesso vengono dissipati sotto forma di calore. Ciò può comportare un notevole spreco di energia e richiedere ulteriori meccanismi di raffreddamento in applicazioni che richiedono un'elevata potenza.
Al contrario, i regolatori a commutazione (ad es convertitori buck ) sono più efficienti per la conversione step-down. Utilizzano una combinazione di induttori, condensatori e interruttori per convertire la tensione in modo efficiente.
I regolatori a commutazione immagazzinano energia durante una fase del ciclo di commutazione e la forniscono durante un'altra, riducendo così al minimo la dissipazione di energia sotto forma di calore. A seconda del design specifico, i regolatori switching possono raggiungere efficienze che vanno dall'80 al 95% o anche superiori.
In sintesi, mentre i regolatori lineari come il 7812 e l'LM317 sono semplici ed economici, non sono la scelta più efficiente per la conversione step-down quando l'efficienza energetica è un problema significativo.
Descrizione del circuito
La figura seguente mostra lo schema di base del convertitore da 24 V a 12 V.
Il regolatore di commutazione utilizzato è un modello comune di Motorola: il µA78S40.
La figura seguente presenta la struttura interna di questo circuito integrato, che comprende vari componenti necessari per un regolatore di commutazione: oscillatore, flip-flop, comparatore, sorgente di riferimento di tensione, driver e transistor di commutazione.
Inoltre, c'è un amplificatore operazionale che non è necessario per questa applicazione. Il filtraggio e il livellamento dell'alimentazione sono gestiti dai condensatori da C3 a C7.
Il condensatore C1 determina la frequenza dell'oscillatore, mentre i resistori R1, R5 e R6 aiutano a limitare la corrente di uscita del convertitore.
La tensione ai capi del resistore R1 è proporzionale alla corrente fornita dal convertitore.
Impostando una differenza di tensione di circa 0,3 V tra i pin 13 e 14 del µA78S40, i resistori R6 e R7 creano un partitore di tensione, consentendo la limitazione della corrente a circa 5A.
La sorgente del riferimento di tensione, disaccoppiata dal condensatore C2, è disponibile al pin 8 di IC1.
Tale tensione di riferimento è applicata all'ingresso non invertente del comparatore interno di IC1. L'ingresso invertente è impostato su un potenziale proporzionale alla tensione di uscita del convertitore.
Per mantenere una tensione di uscita costante, il comparatore controlla lo stadio di uscita di IC1.
Entrambi gli ingressi del comparatore sono mantenuti allo stesso potenziale e la tensione di uscita è data dalla seguente formula:
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].
Il resistore regolabile Aj1 consente di regolare la tensione di uscita del convertitore nell'intervallo da +10V a +15V.
I due transistor di uscita formano una coppia Darlington, e la loro successiva commutazione è controllata dal flip-flop in sincronia con le oscillazioni del condensatore C1.
Combinato con una porta AND, questo flip-flop è controllato dal comparatore per regolare il tempo di conduzione dello stadio di uscita del µA78S40 e mantenere una tensione di uscita costante.
Lo stato saturo o bloccato del transistor T1 segue lo stato della coppia Darlington di IC1. Quando lo stadio di uscita di IC1 è saturo, il transistor T1 è polarizzato e la sua corrente di base è limitata dal resistore R2.
Il resistore R3, insieme al resistore R9, forma un partitore di tensione, limitando la tensione VBE del transistor T1 all'inizio del processo di commutazione.
Il transistor T1, agendo come un modello Darlington, si comporta come un interruttore aperto o chiuso alla frequenza dell'oscillatore del µA78S40.
L'induttore L1 consente la caduta di tensione da 24 V a 12 V utilizzando le proprietà dell'induttanza. In uno stato stazionario, quando il transistor T1 è saturo, viene applicata una tensione di +12V attraverso l'induttore L1.
Durante questa fase, l'induttanza immagazzina energia, che rilascia quando la tensione applicata scompare. Pertanto, quando il transistor T1 è bloccato, l'induttore L1 tende a mantenere la corrente che lo attraversa.
Il diodo D1 diventa conduttivo e una forza controelettromotrice di -12 V appare attraverso l'induttore L1.
