ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตช์คืออะไร?

ตัวควบคุมสวิตช์เป็นวงจรสำคัญสำหรับการสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรอย่างมีประสิทธิภาพ และสำหรับการแปลงแรงดันไฟฟ้าขึ้นหรือลง

การสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรซึ่งสามารถขับกระแสได้ในปริมาณมากถือเป็นหนึ่งในงานพื้นฐานของการออกแบบทางอิเล็กทรอนิกส์ แบบจำลองพื้นฐานสำหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์แรงดันต่ำมีลักษณะดังนี้:

1. แรงดันไฟฟ้าที่มีความจุของไดรฟ์กระแสไฟเพียงพอจะถูกจัดเตรียมไว้เป็นหนึ่งในอินพุตหลักของระบบ
2. แรงดันไฟฟ้าขาเข้านี้ซึ่งอาจสูงเกินไปหรือแปรผันเกินไปสำหรับการใช้โดยตรงในวงจร จะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับการควบคุมตั้งแต่หนึ่งแรงดันไฟฟ้าขึ้นไป ซึ่งขนาดสอดคล้องกับข้อกำหนดเฉพาะของส่วนประกอบที่มีกำลัง
3. ส่วนประกอบเหล่านี้ (ไมโครคอนโทรลเลอร์ ออปแอมป์ ฯลฯ) ใช้แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับการควบคุมเพื่อทำหน้าที่ที่จำเป็นของวงจร

มีหลายวิธีในการบรรลุเป้าหมายนี้ เมื่อผมเริ่มออกแบบวงจรครั้งแรก ผมใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น เช่น รุ่น 7805 ทุกครั้งที่เป็นไปได้ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันนี้ เป็นไปไม่ได้ที่จะปฏิเสธว่าตัวควบคุมสวิตช์มักจะเป็นวิธีที่ดีกว่า และจากประสบการณ์ของผม มักจะ วิธีการที่เหนือกว่า

ในบทความนี้ เราจะพูดถึงระบบการตั้งชื่อแล้วสำรวจหลักการพื้นฐานของการควบคุมการเปลี่ยน

คำศัพท์เฉพาะของตัวควบคุมการสลับ

"ตัวควบคุมการสลับ (แรงดันไฟฟ้า)" อาจเป็นคำที่ใช้กันทั่วไปและเป็นที่รู้จักมากที่สุดในการแสดงถึงวงจรประเภทนี้ อย่างไรก็ตาม คุณจะเห็นคำต่อไปนี้หลายคำผสมกัน:

• แหล่งจ่ายไฟสลับโหมด (SMPS)
• สวิตช์หรือสวิตช์
• ตัวแปลงหรือตัวควบคุม
• DC / DC

จริงๆ แล้วฉันชอบ "ตัวควบคุมโหมดสวิตช์" หรือ "แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์" เพราะ "โหมดสวิตช์" ถ่ายทอดลักษณะของวงจรเหล่านี้ได้สำเร็จมากกว่า การสวิตช์คือ โหมด โดยที่พวกเขาทำหน้าที่ควบคุมหรือแปลงแรงดันไฟฟ้าให้สำเร็จ

คำเหล่านี้ทั้งหมดประสบจากความคลุมเครือซึ่งไม่ค่อยทำให้เกิดปัญหา แต่ก็คุ้มค่าที่จะสังเกต: ในทางทฤษฎี "ตัวควบคุมการสลับ" หรือ "แหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตช์" อาจหมายถึงวงจรที่สร้างรางไฟฟ้าโดยใช้สวิตช์ร่วมกับ ตัวเหนี่ยวนำหรือ capacitor.

ตัวเหนี่ยวนำเทียบกับอุปกรณ์จ่ายไฟโหมดสวิตช์ที่ใช้ตัวเก็บประจุ

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ ข้อกำหนดที่กล่าวถึงข้างต้นสงวนไว้สำหรับสวิตช์แบบเหนี่ยวนำ รูปที่ 1 เป็นตัวอย่างตัวควบคุมโหมดสวิตชิ่งแบบอิงตัวเหนี่ยวนำ แหล่งจ่ายไฟแบบโหมดสวิตช์ส่วนใหญ่เป็นแบบเหนี่ยวนำ สิ่งเหล่านี้จะเป็นจุดสนใจหลักของบทความนี้

รูป 1 โทโพโลยีพื้นฐานของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งแบบเหนี่ยวนำ รูปภาพ (แก้ไข) ได้รับความอนุเคราะห์จาก Wikimedia Commons

ตัวสลับที่ใช้ตัวเก็บประจุ เช่นวงจรตัวอย่างของรูปที่ 2 โดยทั่วไปเรียกว่าอุปกรณ์จ่ายไฟ "ปั๊มชาร์จ" หรืออุปกรณ์จ่ายไฟ "ตัวเก็บประจุแบบสวิตช์" รูปที่ 1 และ 2 เป็นทั้งตัวอย่างของวงจรที่สร้างแรงดันเอาต์พุตที่สูงกว่าแรงดันอินพุต

รูป 2 โทโพโลยีพื้นฐานของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งแบบคาปาซิเตอร์ 

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น

ตอนนี้ลองคิดถึงตัวควบคุมเชิงเส้นดังแสดงในรูปที่ 3 ตัวควบคุมเชิงเส้นสามารถลดแรงดันไฟฟ้าได้เท่านั้น ดังนั้นเราจึงรู้ว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาออก

รูป 3 แผนภาพบล็อกควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น รูปภาพของผู้แต่ง

ตัวควบคุมเชิงเส้นต้องใช้กระแสไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยในการทำงาน สิ่งนี้เรียกว่ากระแสกราวด์ กระแสไฟภาคพื้นดินมักจะมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นเราไม่ต้องสนใจและสมมติว่ากระแสที่ไหลเข้าสู่ตัวควบคุมจะเท่ากับกระแสที่ไหลออกจากตัวควบคุมและเข้าสู่วงจรโหลดที่จ่ายไฟ

ทีนี้ลองคิดถึงพลังกัน เราคำนวณพลังงานไฟฟ้าเป็นแรงดันไฟฟ้าคูณกระแส และเนื่องจากเอาต์พุตมี กระแสเท่ากัน แต่ แรงดันต่ำ สัมพันธ์กับอินพุต พลังงานจะต้องหายไปที่ไหนสักแห่ง คุณสามารถจินตนาการได้ว่าตัวควบคุมเชิงเส้นเป็นองค์ประกอบต้านทานอย่างง่ายที่มีแรงดันตกคร่อม:

$$V_{DROP} = V_{ใน} – V_{OUT}$$

ในกรณีนี้ การกระจายพลังงานของตัวควบคุมเชิงเส้น P_REG คือ:

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

จริงๆ แล้วส่วนประกอบหนึ่งในตัวควบคุมเชิงเส้นคือสวิตช์ ไม่ใช่สวิตช์ไฟฟ้าเครื่องกล แต่เป็นทรานซิสเตอร์ที่สามารถทำหน้าที่เป็นสวิตช์ไฟฟ้าล้วนๆ ได้ อย่างไรก็ตาม เราไม่เรียกตัวควบคุมเชิงเส้นว่าตัวควบคุมสวิตช์ เนื่องจากสวิตช์ไม่ได้เปิดและปิด สวิตช์ทำงานในสถานะกลางซึ่งมีความต้านทานสูงแทน และความต้านทานนี้จะกระจายพลังงานและช่วยลดแรงดันไฟฟ้า

การควบคุมเชิงเส้นนั้นเรียบง่ายและมีประสิทธิภาพสูง แต่ก็ไม่มีประสิทธิภาพ สวิตช์ทำงานในสถานะต้านทานระดับกลาง และกระจายพลังงานจำนวนมากออกไปในรูปของความร้อน เว้นแต่คุณต้องการให้ตัวควบคุมของคุณทำงานเป็นตัวควบคุม และ  เครื่องทำความร้อนไฟฟ้า พลังงานนี้กำลังสูญเปล่า

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าในโหมดสวิตช์

สิ่งนี้นำเราไปสู่แนวคิดของตัวควบคุมโหมดสวิตช์ หากเราสามารถเปิดสวิตช์ไว้จนสุดหรือปิดได้อย่างเต็มที่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากเราสามารถหลีกเลี่ยงบริเวณกลางที่มีการกระจายพลังงานสูงได้ เราก็สามารถสร้างตัวควบคุมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นได้ แต่การอภิปรายของเราเกี่ยวกับตัวควบคุมเชิงเส้นแสดงให้เห็นว่าพลังงานที่สูญเปล่าเป็นสิ่งจำเป็นในการลดแรงดันไฟฟ้า จะทำอย่างไร?

นี่คือจุดที่ตัวเหนี่ยวนำเข้ามา ตัวเหนี่ยวนำจะเก็บและปล่อยพลังงานในลักษณะที่กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในทันที การเปิด/ปิดสวิตช์จะนำไปสู่กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ค่อยๆ เพิ่มขึ้นและลดลง เมื่อตัวเหนี่ยวนำถูกรวมเข้ากับตัวเก็บประจุ ผลลัพธ์ของตัวกรอง LC จะทำให้รูปคลื่นเปิด/ปิดเรียบเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างเสถียร ขนาดของแรงดันไฟฟ้าที่ปรับให้เรียบจะถูกกำหนดโดยรอบการทำงานของรูปคลื่นเปิด/ปิด

ตัวอย่างเช่น ลองดูรูปที่ 4 หลังจากการกรอง รอบการทำงานที่แตกต่างกัน (ในตัวอย่างนี้ 10%, 50% และ 90%) จะสอดคล้องกับระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่แตกต่างกัน (ระบุด้วยเส้นโค้งสีแดง) ระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเหล่านี้ไม่คงที่อย่างสมบูรณ์เนื่องจากมีระลอกคลื่นบางส่วนหลงเหลืออยู่หลังจากการกรอง

รูป 4 ระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเป็นฟังก์ชันของรอบการทำงานของ PWM รูปภาพของผู้แต่ง

ดังนั้นเราจึงสามารถเปิดและปิดสวิตช์ที่ความถี่สูง จากนั้นใช้การปรับความกว้างพัลส์และการกรองเพื่อสร้างแรงดันเอาต์พุต DC ที่ต้องการ นอกจากนี้เรายังสามารถตรวจสอบสัญญาณตอบรับและปรับรอบการทำงานของ PWM ตามสภาวะโหลดได้ นี่คือโหมดพื้นฐานของการทำงานในวงจรควบคุมการสลับ: การกรองแบบเหนี่ยวนำเพื่อส่งกระแสโหลดที่สม่ำเสมอแม้จะมีการเปิด/ปิดสวิตช์ก็ตาม ข้อเสนอแนะและ PWM สำหรับควบคุมแรงดันไฟฟ้า

แม้ว่าสวิตช์จะทำงานที่ความถี่สูง แต่สวิตช์ยังคงใช้เวลาส่วนใหญ่อยู่ในสถานะการกระจายพลังงานต่ำ (เช่น สถานะเปิดและปิดเต็มที่) นี่คือเหตุผลว่าทำไมสวิตช์ควบคุมจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าตัวควบคุมเชิงเส้นมาก

แน่นอนว่ายังมีรายละเอียดและรูปแบบต่างๆ มากมายที่ฉันไม่ได้กล่าวถึง แต่ถ้าคุณเข้าใจทั้งหมดนี้ คุณจะมีรากฐานที่มั่นคงสำหรับการศึกษาต่อ

ตัวอย่างวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่ง: บั๊กคอนเวอร์เตอร์

รูปที่ 5 แสดงโครงสร้างพื้นฐานของตัวแปลงบั๊กหรือที่เรียกว่าตัวแปลงแบบ step-down ใช้การทำงานของโหมดสวิตช์เพื่อลดขนาดของแรงดันไฟฟ้าอินพุต DC (โปรดทราบว่า พูดอย่างเคร่งครัด นี่ไม่ใช่ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากไม่ได้รวมระบบย่อยป้อนกลับที่จำเป็นในการรักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่แม้จะมีสภาวะโหลดที่แปรผันก็ตาม)

รูป 5 ตัวอย่างวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งประเภทหนึ่ง: ตัวแปลงบั๊ก