Ser a regulador de commutació , aquest circuit és altament eficient i no malgastarà ni dissiparà energia, a diferència dels reguladors lineals com IC 7812, o IC LM317 o IC LM338.
Per què els reguladors lineals com 7812, LM317 i LM338 són convertidors de baixada dolents?
Els reguladors lineals com el 7812 i LM317 es consideren convertidors reductors ineficients a causa de les seves característiques operatives.
En un regulador lineal, l'excés de tensió d'entrada experimenta una dissipació en forma de calor. Això implica que la caiguda de tensió entre els terminals d'entrada i sortida es 'crema' simplement com a energia malgastada. El regulador lineal funciona actuant com una resistència variable, ajustant la seva resistència per dissipar l'energia sobrant i regular la tensió de sortida.
Aquest procés de dissipació comporta una pèrdua de potència considerable i una baixa eficiència. L'eficiència d'un regulador lineal ve determinada per la relació entre la potència de sortida i la potència d'entrada. A mesura que augmenta la diferència de tensió d'entrada-sortida, també augmenta la potència dissipada com a calor, que és la diferència de tensió multiplicada pel corrent de sortida. En conseqüència, l'eficiència disminueix a mesura que augmenta la diferència de tensió entre l'entrada i la sortida.
Per exemple, quan s'utilitza un regulador lineal per regular una entrada de 24 V fins a 12 V, l'excés de 12 V es dissipa com a calor. Això pot provocar un malbaratament substancial d'energia i necessitar mecanismes de refrigeració addicionals en aplicacions que impliquen una gran potència.
En canvi, els reguladors de commutació (com ara convertidors de diners ) són més eficients per a la conversió reduïda. Utilitzen una combinació d'inductors, condensadors i interruptors per convertir la tensió de manera eficient.
Els reguladors de commutació emmagatzemen energia durant una fase del cicle de commutació i la proporcionen durant una altra, minimitzant així la dissipació d'energia en forma de calor. Depenent del disseny específic, els reguladors de commutació poden aconseguir eficiències que van del 80 al 95% o fins i tot més.
En resum, tot i que els reguladors lineals com el 7812 i el LM317 són senzills i rendibles, no són l'opció més eficient per a la conversió reduïda quan l'eficiència energètica és una preocupació important.
Descripció del circuit
La figura següent mostra el diagrama bàsic del convertidor de 24 V a 12 V.
El regulador de commutació utilitzat és un model comú de Motorola: el µA78S40.
La figura següent presenta l'estructura interna d'aquest circuit integrat, que inclou diversos components necessaris per a un regulador de commutació: oscil·lador, flip-flop, comparador, font de referència de tensió, controlador i transistors de commutació.
A més, hi ha un amplificador operacional que no és necessari per a aquesta aplicació. El filtratge i la suavització de la font d'alimentació es realitzen mitjançant condensadors C3 a C7.
El condensador C1 determina la freqüència de l'oscil·lador, mentre que les resistències R1, R5 i R6 ajuden a limitar el corrent de sortida del convertidor.
La tensió a través de la resistència R1 és proporcional al corrent subministrat pel convertidor.
En establir una diferència de tensió d'uns 0,3 V entre els pins 13 i 14 del µA78S40, les resistències R6 i R7 creen un divisor de tensió, permetent que es produeixi una limitació de corrent al voltant de 5A.
La font de referència de tensió, desacoblada pel condensador C2, està disponible al pin 8 de IC1.
Aquesta tensió de referència s'aplica a l'entrada no inversora del comparador intern de IC1. L'entrada inversora s'estableix a un potencial proporcional a la tensió de sortida del convertidor.
Per mantenir una tensió de sortida constant, el comparador controla l'etapa de sortida de IC1.
Les dues entrades del comparador es mantenen al mateix potencial i la tensió de sortida ve donada per la fórmula següent:
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].
La resistència ajustable Aj1 permet ajustar la tensió de sortida del convertidor en el rang de +10V a +15V.
Els dos transistors de sortida formen un parell de Darlington, i la seva commutació successiva està controlada pel flip-flop en sincronia amb les oscil·lacions del condensador C1.
Combinat amb una porta AND, aquest flip-flop està controlat pel comparador per ajustar el temps de conducció de l'etapa de sortida del µA78S40 i mantenir una tensió de sortida constant.
L'estat saturat o bloquejat del transistor T1 segueix l'estat del parell de Darlington d'IC1. Quan l'etapa de sortida d'IC1 està saturada, el transistor T1 està polaritzat i el seu corrent base està limitat per la resistència R2.
La resistència R3, juntament amb la resistència R9, forma un divisor de tensió, limitant la tensió VBE del transistor T1 al començament del procés de commutació.
El transistor T1, que actua com a model Darlington, es comporta com un interruptor obert o tancat a la freqüència de l'oscil·lador del µA78S40.
L'inductor L1 permet la caiguda de tensió de 24V a 12V utilitzant les propietats de la inductància. En estat estacionari, quan el transistor T1 està saturat, s'aplica una tensió de +12 V a través de l'inductor L1.
Durant aquesta fase, la inductància emmagatzema energia, que allibera quan desapareix la tensió aplicada. Així, quan el transistor T1 està bloquejat, l'inductor L1 tendeix a mantenir el corrent que hi circula.
El díode D1 esdevé conductor i apareix una força contraelectromotriu de -12V a través de l'inductor L1.
