Στο προηγούμενο άρθρο παρουσιάσαμε το παραδοσιακό γραμμικό τροφοδοτικό το οποίο αποτελείται από τον μετασχηματιστή, τις διόδους ανόρθωσης, το φίλτρο και το κύκλωμα σταθεροποίησης. Το τελευταίο μπορεί να είναι μια δίοδος Zener μαζί με ένα τρανζίστορ και μια αντίσταση πόλωσης ή ένα γραμμικό κύκλωμα σταθεροποίησης τύπου ολοκληρωμένου κυκλώματος όπως με τη σειρά 78xx. Το χαρακτηριστικό αυτού του τροφοδοτικού είναι η κατανάλωση ισχύος που εμφανίζεται σαν θερμότητα και είναι ίση με τη διαφορά των τιμών των τάσεων εισόδου – εξόδου πολλαπλασιασμένη με την τιμή του ρεύματος στο φορτίο.

Ένας άλλος τύπος κυκλώματος σταθεροποιητή είναι εκείνου του διακοπτόμενου κυκλώματος. Το χαρακτηριστικό των διακοπτόμενων τροφοδοτικών είναι η μεγάλη αποδοτικότητα αφού καταναλώνει μικρή ισχύ με αποτέλεσμα να μην έχουμε παραγωγή θερμότητας. Ένα διακοπτόμενο τροφοδοτικό μπορεί να είναι του τύπου step-down ή step-up της τάσης εισόδου χρησιμοποιώντας τις εξής τοπολογίες: Buck, Boost και Buck-Boost. Αυτό ορίζεται με τον τρόπο με τον οποίο το τρανζίστορ – διακόπτης, η αυτεπαγωγή, η δίοδος και ο πυκνωτής εξομάλυνσης συνδέεται στο βασικό κύκλωμα.

Διακοπτόμενο τροφοδοτικό τύπου Buck

Το χαρακτηριστικό του διακοπτόμενου τροφοδοτικού τύπου Buck είναι η αποδοτική μετατροπή της DC τάσης εισόδου σε μια χαμηλότερη σταθεροποιημένη τάση DC. Αυτό το τροφοδοτικό είναι ένας step down DC σε DC μετατροπέας με την ιδιότητα της εξάλειψης της κυμάτωσης στην τάση εξόδου.

Στο σχήμα φαίνεται το βασικό κύκλωμα ενός Buck διακοπτόμενου τροφοδοτικού που αποτελείται από το τρανζίστορ TR1 συνδεμένο σε σειρά, την αυτεπαγωγή L1, την δίοδο D1 και τον πυκνωτή εξομάλυνσης C1. Το τρανζίστορ TR1 λειτουργεί στις καταστάσεις “ON” ή “OFF”.

Όταν το τρανζίστορ πολωθεί και τεθεί στην κατάσταση “ON” (κλείσιμο του διακόπτη) η δίοδος D1 πολώνεται ανάστροφα και η τάση εισόδου V_IN προκαλεί την ροή ρεύματος μέσα από την αυτεπαγωγή και τελικά στο φορτίο φορτίζοντας τον πυκνωτή C1. Η μεταβολή (αύξηση) του ρεύματος αυτού προκαλεί μια τάση εξ επαγωγής στο πηνίο, που σύμφωνα με τον κανόνα του Lenz έχει αντίστροφη πολικότητα αντιτιθέμενη στην αύξηση του ρεύματος και συνεχίζεται αυτό το φαινόμενο μέχρι το ρεύμα να σταθεροποιηθεί. Ταυτόχρονα εμφανίζεται μαγνητικό πεδίο μέσα στο πηνίο. Όταν το τρανζίστορ πολωθεί και τεθεί στην κατάσταση “OFF” (άνοιγμα του διακόπτη) από το κύκλωμα ελέγχου, η τάση εισόδου στιγμιαία αποσυνδέεται από τον εκπομπό, με αποτέλεσμα να προκαλεί την συρρίκνωση του μαγνητικού πεδίου από το πηνίο προκαλώντας την εμφάνιση αντίστροφης τάσης κατά μήκος του πηνίου.

Αυτή η τάση προκαλεί ορθή πόλωση της διόδου με αποτέλεσμα η μαγνητική ενέργεια του πηνίου να προκαλέσει ρεύμα στο φορτίο με την ίδια πάντα φορά. Επομένως όταν το τρανζίστορ άγει, ρεύμα παρέχεται στο φορτίο από την τάση εισόδου και ο πυκνωτής φορτίζεται και όταν το τρανζίστορ δεν άγει το ρεύμα παρέχεται από την αποθηκευμένη μαγνητική ενέργεια του πηνίου και ο πυκνωτής εκφορτίζεται. Και στις δυο περιπτώσεις το ρεύμα στο φορτίο έχει την ίδια φορά. Επίσης ο συνδυασμός της αυτεπαγωγής L και του πυκνωτή C σχηματίζουν ένα φίλτρο LC εξομαλύνοντας την AC κυμάτωση που σχηματίζεται από την διακοπτόμενη λειτουργία του τρανζίστορ.

Καθώς το τρανζίστορ άγει και διακόπτεται, η μέση τιμή της τάσης εξόδου είναι ανάλογη με το duty cycle που ορίζεται από το λόγο του χρονικού διαστήματος που βρίσκεται σε “ON” προς τον ολικό χρόνο που βρίσκεται σε “ON” και “OFF”. Αν V_IN είναι η τάση εισόδου και οι χρόνοι “t_ON” και “t_OFF” είναι τα χρονικά διαστήματα της κατάστασης “ON” και “OFF” του τρανζίστορ αντίστοιχα, η τάση εξόδου δίνεται από τον τύπο:

Το duty cycle για τον duck μετατροπέα μπορεί να οριστεί ως εξής:

Ρύθμιση της τάσης εξόδου του τροφοδοτικού έχουμε με την μεταβολή του duty cycle ενώ χρησιμοποιούνται μεγάλες συχνότητες έως 200KHz που για αυτό το λόγο το τροφοδοτικό κατασκευάζεται με μικρότερα εξαρτήματα, μειώνοντας το μέγεθος και το βάρος του τροφοδοτικού.

Boost διακοπτόμενο τροφοδοτικό

Το boost διακοπτόμενο τροφοδοτικό είναι ένας άλλος τύπος διακοπτόμενου τροφοδοτικού. Αυτό έχει τον ίδιο τύπο εξαρτημάτων όπως το buck διακοπτόμενο τροφοδοτικό αλλά εδώ σε διαφορετικές θέσεις. Ο μετατροπέας boost χρησιμοποιείται για να αυξάνει την DC τάση από μια χαμηλή DC τάση εισόδου σε μια υψηλότερη τιμή χωρίς την εναλλαγή της πολικότητας, με την ελάχιστη κατανάλωση ισχύος.

Είδαμε στην προηγούμενη ενότητα ότι ο τύπος buck διακοπτόμενου τροφοδοτικού χρησιμοποιεί το τρανζίστορ διακόπτη σε σειρά. Η διαφορά με τον τύπο boost είναι ότι χρησιμοποιεί ένα παράλληλα συνδεμένο τρανζίστορ που λειτουσγεί σαν διακόπτης, για τον έλεγχο της τάσης εξόδου του αυτού του τύπου τροφοδοτικού. Καθώς το τρανζίστορ είναι συνδεμένο παράλληλα με την έξοδο, ηλεκτρική ενέργεια ρέει από την αυτεπαγωγή στο φορτίο όταν το τρανζίστορ πολώνεται σε κατάσταση “OFF” (ανοικτός διακόπτης). Στο κύκλωμα μετατροπέα boost όταν το τρανζίστορ άγει (δηλ. γίνει “ON”) ηλεκτρική ενέργεια από την τάση εισόδου V_IN περνά διαμέσου της αυτεπαγωγής στο τρανζίστορ και πάλι πίσω στην είσοδο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μην διαρρέεται το φορτίο από ρεύμα αφού το τρανζίστορ σχηματίζει βραχυκύκλωμα και ένα αυξανόμενο ρεύμα διαρρέει την αυτεπαγωγή. Ταυτόχρονα η δίοδος D1 πολώνεται ανάστροφα αφού η άνοδος της μέσω του τρανζίστορ πάει στα μηδέν βολτ (γείωση) με αποτέλεσμα ο πυκνωτής εξομάλυνσης να απομονώνεται και να εκφορτίζεται μέσω του φορτίου.

Όταν το τρανζίστορ δεν άγει (δηλ. γίνει “OFF”) η τάση εισόδου οδηγείται στην έξοδο διάμεσο της αυτεπαγωγής και της διόδου που συνδέονται σε σειρά. Καθώς το μαγνητικό πεδίο στο πηνίο συρρικνώνεται η ηλεκτρική ενέργεια της αυτεπαγωγής οδηγείται στην έξοδο βάσει της ορθά πολωμένης διόδου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η αντιστραμμένη τάση στα άκρα της αυτεπαγωγής να προστίθεται στην τάση εισόδου δίνοντας μια λογική τάση εξόδου που τώρα γίνεται V_IN+V_L φορτίζοντας τον πυκνωτή εξομάλυνσης με αυτή την ολική τάση.

Καθώς η τάση εξ’ επαγωγής του πηνίου είναι αρνητική έχει αποτέλεσμα να προστίθεται στην τάση εισόδου V_IN οδηγώντας το ρεύμα της αυτεπαγωγής στο φορτίο. Η τάση εξόδου ενός διακοπτόμενου τροφοδοτικού τύπου boost δίνεται από τον τύπο:

Με το boost διακοπτόμενο τροφοδοτικό που περιγράψαμε προηγουμένως η τάση εξόδου εξαρτάται από την τάση εισόδου και την τιμή duty cycle. Επομένως ελέγχοντας το duty cycle έχουμε ρύθμιση της τάσης εξόδου.

Buck – Boost διακοπτόμενο τροφοδοτικό

Το buck – boost διακοπτόμενο τροφοδοτικό είναι ένας συνδυασμός ενός buck μετατροπέα με ένα boost μετατροπέα. Το  Buck – Boost τροφοδοτικό παρέχει ανεστραμμένη τάση εξόδου, η οποία μπορεί να είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από την τάση εισόδου ανάλογα με το duty cycle. Ένας buck – boost μετατροπέας είναι ένας τροποποιημένος boost μετατροπέας ο οποίος δίνει ενέργεια στην έξοδο μόνο αυτή που είναι αποθηκευμένη στην αυτεπαγωγή L1.

Όταν το τρανζίστορ TR1 άγει (δηλ. είναι “ON”)  η τάση στα άκρα της αυτεπαγωγής γίνεται ίση με εκείνη της τάσης εισόδου και έτσι ενέργεια αποθηκεύεται στην αυτεπαγωγή από την τάση εισόδου. Το ρεύμα στο φορτίο είναι μηδενικό διότι η δίοδος D1 είναι ανάστροφα πολωμένη. Όταν το τρανζίστορ δεν άγει (δηλ. γίνει “OFF”) η δίοδος πολώνεται ορθά από την ανάστροφη εξ’ επαγωγής τάσης στο πηνίο και η αρχική ενέργεια που ήταν στην αυτεπαγωγή μεταφέρεται στο φορτίο.

Με άλλα λόγια όταν το τρανζίστορ είναι “ON” ενέργεια μεταφέρεται στην αυτεπαγωγή από το DC τροφοδοτικό ενώ δεν έχουμε ρεύμα στο φορτίο. Όταν το τρανζίστορ είναι “OFF” η τάση στα άκρα της αυτεπαγωγής αντιστρέφεται λειτουργώντας σαν “πηγή” και η αρχική ενέργεια της αυτεπαγωγής διανέμεται στο φορτίο διάμεσο της διόδου ενώ η τάση εισόδου απομονώνεται από την έξοδο. Έτσι η τάση που αναπτύσσεται στο φορτίο όταν το τρανζίστορ γίνει “OFF” είναι ίση με την τάση της αυτεπαγωγής. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ότι η απόλυτη τιμή της τάσης εξόδου μπορεί να είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από την τάση εισόδου και η τάση εξόδου είναι ανάλογη με το duty cycle. Η τάση εξόδου ενός buck – boost διακοπτόμενου τροφοδοτικού δίνεται από την σχέση:

Επομένως το buck – boost διακοπτόμενο τροφοδοτικό λειτουργεί σαν boost όταν η τάση εξόδου είναι υψηλότερη από εκείνη της εισόδου και σαν buck όταν η τάση εξόδου είναι χαμηλότερη από εκείνη της εισόδου.