วงจรตัวแปลง 24 V ถึง 12 V DC [ใช้ตัวควบคุมการสลับ]

เป็น ก ตัวควบคุมการสลับ วงจรนี้มีประสิทธิภาพสูงและจะไม่สิ้นเปลืองหรือสิ้นเปลืองพลังงาน ซึ่งแตกต่างจากตัวควบคุมเชิงเส้น เช่น IC 7812 หรือ IC LM317 หรือ IC LM338

เหตุใด Linear Regulators เช่น 7812, LM317 และ LM338 จึงเป็นตัวแปลงลดขั้นตอนที่ไม่ดี

ลิเนียร์เร็กกูเลเตอร์ เช่น 7812 และ LM317 ถือเป็นสเต็ปดาวน์คอนเวอร์เตอร์ที่ไม่มีประสิทธิภาพเนื่องจากลักษณะการทำงาน

ในตัวควบคุมเชิงเส้น แรงดันไฟฟ้าอินพุตส่วนเกินจะผ่านการกระจายในรูปของความร้อน นี่หมายความว่าแรงดันตกคร่อมระหว่างขั้วอินพุทและเอาท์พุทจะ 'หมดไป' เป็นพลังงานที่สูญเปล่า ตัวควบคุมเชิงเส้นทำงานโดยทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ ปรับค่าความต้านทานเพื่อกระจายพลังงานส่วนเกินและควบคุมแรงดันเอาต์พุต

กระบวนการกระจายนี้นำไปสู่การสูญเสียพลังงานจำนวนมากและมีประสิทธิภาพต่ำ ประสิทธิภาพของตัวควบคุมเชิงเส้นถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของกำลังขับต่อกำลังไฟฟ้าเข้า เมื่อความต่างศักย์ไฟฟ้าเข้า-ออกเพิ่มขึ้น พลังงานที่กระจายออกไปเมื่อความร้อนซึ่งเป็นความต่างศักย์คูณด้วยกระแสไฟขาออกก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน ผลที่ตามมา ประสิทธิภาพลดลงเมื่อความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างอินพุตและเอาต์พุตเพิ่มขึ้น

ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ลิเนียร์เร็กกูเลเตอร์เพื่อควบคุมอินพุต 24 V ให้เหลือ 12 V 12 V ที่เกินมาจะถูกกระจายออกไปในรูปของความร้อน ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการสิ้นเปลืองพลังงานอย่างมาก และจำเป็นต้องมีกลไกการระบายความร้อนเพิ่มเติมในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับพลังงานสูง

ในทางตรงกันข้าม ตัวควบคุมการสลับ (เช่น ตัวแปลงบัค ) มีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับการแปลงแบบลดขั้นตอน พวกเขาใช้การรวมกันของตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และสวิตช์เพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ

สวิตชิ่งเร็กกูเลเตอร์จะเก็บพลังงานในช่วงหนึ่งของวงจรสวิตชิ่งและจ่ายพลังงานในช่วงอื่น จึงลดการกระจายพลังงานในรูปของความร้อนให้เหลือน้อยที่สุด ขึ้นอยู่กับการออกแบบเฉพาะ สวิตชิ่งเรกูเลเตอร์สามารถบรรลุประสิทธิภาพตั้งแต่ 80-95% หรือสูงกว่านั้น

โดยสรุป แม้ว่าตัวควบคุมเชิงเส้นอย่าง 7812 และ LM317 จะตรงไปตรงมาและประหยัดค่าใช้จ่าย แต่ก็ไม่ใช่ตัวเลือกที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับการแปลงแบบลดขั้นตอน เมื่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานเป็นข้อกังวลที่สำคัญ

คำอธิบายวงจร

ภาพด้านล่างแสดงไดอะแกรมพื้นฐานของตัวแปลง 24 V เป็น 12 V

สวิตชิ่งเรกูเลเตอร์ที่ใช้เป็นรุ่นทั่วไปจาก Motorola: µA78S40

รูปต่อไปนี้แสดงโครงสร้างภายในของวงจรรวมนี้ ซึ่งรวมถึงส่วนประกอบต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับตัวควบคุมการสลับ: ออสซิลเลเตอร์ ฟลิปฟล็อป ตัวเปรียบเทียบ แหล่งอ้างอิงแรงดัน ไดรเวอร์ และทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง

นอกจากนี้ ยังมีแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันนี้ ตัวเก็บประจุ C3 ถึง C7 ทำหน้าที่กรองและปรับแหล่งจ่ายไฟให้เรียบ

ตัวเก็บประจุ C1 กำหนดความถี่ของออสซิลเลเตอร์ ในขณะที่ตัวต้านทาน R1, R5 และ R6 ช่วยจำกัดกระแสเอาต์พุตของตัวแปลง

แรงดันคร่อมตัวต้านทาน R1 เป็นสัดส่วนกับกระแสที่จ่ายโดยตัวแปลง

ด้วยการตั้งค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ประมาณ 0.3 V ระหว่างพิน 13 และ 14 ของ µA78S40 ตัวต้านทาน R6 และ R7 จะสร้างตัวแบ่งแรงดัน ทำให้เกิดการจำกัดกระแสที่ประมาณ 5A

แหล่งอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า แยกโดยตัวเก็บประจุ C2 มีอยู่ที่พิน 8 ของ IC1

แรงดันอ้างอิงนี้ใช้กับอินพุตที่ไม่กลับด้านของตัวเปรียบเทียบภายในของ IC1 อินพุทกลับด้านถูกกำหนดให้เป็นสัดส่วนที่เป็นไปได้กับแรงดันเอาท์พุตของตัวแปลง

เพื่อรักษาแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ ตัวเปรียบเทียบจะควบคุมเอาต์พุตสเตจของ IC1

อินพุตทั้งสองของตัวเปรียบเทียบได้รับการบำรุงรักษาที่ศักย์เดียวกัน และแรงดันเอาต์พุตถูกกำหนดโดยสูตรต่อไปนี้:

Vs = 1.25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5]

ตัวต้านทานแบบปรับได้ Aj1 ช่วยให้สามารถปรับแรงดันเอาต์พุตของตัวแปลงในช่วง +10V ถึง +15V

ทรานซิสเตอร์เอาท์พุตสองตัวสร้างคู่ดาร์ลิงตัน และการสลับที่ต่อเนื่องกันนั้นควบคุมโดยฟลิปฟล็อปที่ซิงค์กับการสั่นของตัวเก็บประจุ C1

เมื่อรวมกับเกท AND ฟลิปฟล็อปนี้จะถูกควบคุมโดยตัวเปรียบเทียบเพื่อปรับเวลาการนำไฟฟ้าของสเตจเอาต์พุตของ µA78S40 และรักษาแรงดันเอาต์พุตให้คงที่

สถานะอิ่มตัวหรือถูกบล็อกของทรานซิสเตอร์ T1 เป็นไปตามสถานะของคู่ Darlington ของ IC1 เมื่อเอาต์พุตสเตจของ IC1 อิ่มตัว ทรานซิสเตอร์ T1 จะถูกไบอัส และกระแสเบสจะถูกจำกัดโดยตัวต้านทาน R2

ตัวต้านทาน R3 ร่วมกับตัวต้านทาน R9 เป็นตัวแบ่งแรงดันซึ่งจำกัดแรงดัน VBE ของทรานซิสเตอร์ T1 ที่จุดเริ่มต้นของกระบวนการสวิตชิ่ง

ทรานซิสเตอร์ T1 ซึ่งทำหน้าที่เป็นโมเดลดาร์ลิงตัน ทำหน้าที่เป็นสวิตช์เปิดหรือปิดที่ความถี่ของออสซิลเลเตอร์ของ µA78S40

ตัวเหนี่ยวนำ L1 ช่วยให้แรงดันตกจาก 24V เป็น 12V โดยใช้คุณสมบัติของตัวเหนี่ยวนำ ในสถานะคงที่ เมื่อทรานซิสเตอร์ T1 อิ่มตัว แรงดันไฟฟ้า +12V จะถูกจ่ายให้กับตัวเหนี่ยวนำ L1

ในระหว่างขั้นตอนนี้ ตัวเหนี่ยวนำจะเก็บพลังงานไว้ ซึ่งจะปล่อยออกมาเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้หายไป ดังนั้น เมื่อทรานซิสเตอร์ T1 ถูกบล็อก ตัวเหนี่ยวนำ L1 มีแนวโน้มที่จะรักษากระแสที่ไหลผ่าน

ไดโอด D1 กลายเป็นตัวนำไฟฟ้า และแรงเคลื่อนไฟฟ้าสวนทางที่ -12V ปรากฏขึ้นทั่วตัวเหนี่ยวนำ L1