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Sep 02, 2023

Cos'è un regolatore di tensione a commutazione?

Generare tensioni stabili in grado di pilotare quantità significative di corrente è uno dei compiti fondamentali della progettazione elettronica. Un modello base per un circuito elettronico a bassa tensione fa qualcosa

Generare tensioni stabili in grado di pilotare quantità significative di corrente è uno dei compiti fondamentali della progettazione elettronica. Un modello base per un circuito elettronico a bassa tensione è più o meno questo:

Esistono vari modi per raggiungere questo obiettivo. Quando ho iniziato a progettare circuiti, ho utilizzato regolatori di tensione lineari, come il venerabile 7805, quando possibile. Al giorno d'oggi, tuttavia, è impossibile negare che i regolatori a commutazione siano spesso il metodo migliore e, secondo la mia esperienza, sono solitamente il metodo migliore.

In questo articolo discuteremo la nomenclatura ed esploreremo i principi di base della regolamentazione del cambio.

"Regolatore a commutazione (di tensione)" è forse il termine più comune e riconoscibile per denotare questa classe di circuiti. Tuttavia, vedrai anche varie combinazioni dei seguenti termini:

In realtà preferisco il "regolatore a commutazione" o "l'alimentatore a commutazione", perché la "modalità a commutazione" trasmette con maggiore successo la natura di questi circuiti: la commutazione è la modalità con cui svolgono il loro compito di regolare o convertire la tensione.

Tutti questi termini soffrono di un'ambiguità che raramente causa problemi ma che vale comunque la pena notare: "regolatore a commutazione" o "alimentatore a commutazione" potrebbero, in teoria, riferirsi a un circuito che genera una linea di alimentazione utilizzando interruttori insieme a un induttore o un condensatore.

In pratica, tuttavia, i termini sopra menzionati sono riservati agli switcher basati su induttori. La Figura 1 è un esempio di un regolatore della modalità di commutazione basato su induttore. La stragrande maggioranza degli alimentatori a commutazione sono basati su induttori. Questi saranno l’obiettivo principale di questo articolo.

I commutatori basati su condensatori, come il circuito di esempio della Figura 2, sono generalmente chiamati alimentatori a "pompa di carica" ​​o alimentatori a "condensatore commutato". Le Figure 1 e 2 sono entrambi esempi di circuiti che producono una tensione di uscita superiore alla tensione di ingresso.

Pensiamo ora a un regolatore lineare, come illustrato nella Figura 3. I regolatori lineari possono solo ridurre la tensione, quindi sappiamo che la tensione di ingresso è superiore alla tensione di uscita.

Un regolatore lineare richiede una piccola quantità di corrente per funzionare; questa è chiamata corrente di terra. La corrente di terra è spesso trascurabile, quindi ignoriamola e assumiamo che la corrente che fluisce nel regolatore sia uguale alla corrente che fluisce dal regolatore e nel circuito di carico alimentato.

Ora pensiamo al potere. Calcoliamo la potenza elettrica come tensione per corrente e poiché l'uscita ha corrente uguale ma tensione inferiore rispetto all'ingresso, la potenza deve essere persa da qualche parte. Puoi anche immaginare che il regolatore lineare sia un semplice elemento resistivo con una caduta di tensione:

$$V_{DROP} = V_{IN} - V_{OUT}$$

In questo caso la potenza dissipata dal regolatore lineare PREG è:

$$P_{REG} = V_{DROP} \cdot I_{LOAD}$$

Uno dei componenti di un regolatore lineare è, infatti, un interruttore, non un interruttore elettromeccanico, ma un transistor in grado di funzionare come un interruttore puramente elettrico. Tuttavia, non chiamiamo un regolatore lineare un regolatore a commutazione perché l'interruttore non si accende e non si spegne; invece, l'interruttore funziona in uno stato intermedio in cui presenta una resistenza significativa, e questa resistenza dissipa potenza e consente una riduzione della tensione.

La regolazione lineare è semplice ed estremamente efficace, ma è inefficiente. L'interruttore funziona in uno stato intermedio e resistivo e dissipa quantità potenzialmente elevate di energia sotto forma di calore. A meno che tu non voglia che il tuo regolatore funzioni come regolatore e riscaldatore elettrico, questa energia verrà sprecata.

Questo ci porta al concetto di regolatore a commutazione. Se riusciamo a mantenere l’interruttore completamente acceso o completamente spento – in altre parole, se possiamo evitare quella regione intermedia ad alta dissipazione di potenza – possiamo creare un regolatore molto più efficiente. Ma la nostra discussione sul regolatore lineare suggerisce che la potenza sprecata è necessaria per ridurre la tensione. Cosa fare?