Lineáris feszültségszabályzók és tulajdonságaik

A lineáris feszültségszabályzók feladata stabil egyenfeszültség előállítása, mely áramkörök tápfeszültségeként szolgál. A bemeneti feszültségük bizonyos mértékű ingadozással rendelkezik (lehet például egyenirányítással előállított pufferelt feszültség), mely minden időpillanatban legalább egy adott értékkel nagyobb, mint az előállított kimeneti feszültség. A kimeneti feszültségnek minél kisebb mértékben szabad függenie a bemeneti feszültségszinttől, a terhelőáramtól, hőmérséklettől. Rendelkeznie kell túláram és hőmérsékletmegfutás elleni védelemmel is. A szabályzón átfolyó áram és rajta eső feszültség teljesítményveszteséget jelent, ami a hatásfokot is befolyásolja.

Az alapvető működési elv szerint a bemeneti és kimeneti oldal között szabályozható áteresztő elem van, ami annyi áramot juttat a fogyasztóra, hogy a rajta eső feszültség állandó legyen. Az áteresztőelem a kimeneti feszültség negatív visszacsatolásával vezérelt.

Az alábbi ábra szemlélteti az áramviszonyokat.

A bemeneti áram egy része (Ig) a szabályzó belső áramköreiből jut vissza, ezt földponti áramnak (ground current, ground pin current) nevezik. A kimeneti áram a fogyasztóra jut. A szabályzó terheletlen állapotban is felvesz nyugalmi áramot (quiescent current), ami lényegében a földponti árammal egyezik meg.

A feszültségszabályzók rendelkezhetnek működést engedélyező logikai bemenettel. Az áramkör inaktív, alacsony fogyasztású módba kerülhet.

Hatásfok, teljesítmény

Mivel a bemeneti feszültség és bemeneti áram mindig nagyobb, mint a kimeneti feszültség és áram, a szabályzó energiát vesz fel, ami hővé alakul. Akár hűtés is szükséges lehet.

A bemeneti teljesítményfelvétel

A fogyasztóra jutó teljesítmény

A hatásfok ezzel

A szabályzóra jutó teljesítmény

Általában az első tag a jelentős, jól látható, hogy minél nagyobb a feszültségesés, annál nagyobb az érték. Célszerű tehát lehetőleg úgy megválasztani a tápforrást, hogy ez a feszültségesés kicsi legyen.

A szabályzóra jutó teljesítmény hővé alakul, melegszik az áramkör. Az intergált áramkörös szabályzók esetén a tokozás hőmérsékleti adatai ismeretében meg tudjuk mondani, hogy mekkora lesz a félvezető lapka hőmérséklete a felvett teljesítmény és környezeti levegő hőmérsékletének függvényében. Ennek bele kell esnie a megengedett tartományba, bizonyos tokozások esetén hűtőbordákkal lehet csökkenteni a túlmelegedést. Több szabályzó rendelkezik hőmegfutás elleni védelemmel, azaz ha a lapka egy határ főlé melegszik, a kimeneti áram (és ezzel a feszültség is) lecsökken. Ekkor a szabályzó már nem biztosít megfelelő kimeneti feszültséget.

Alapvető elrendezések, áteresztőelemek

Az egyik legegyszerűbb megoldást mutatja be az alábbi áramkör:

A Zener-diódán eső feszültség és így a bázisfeszültség is közel állandó. Mivel a bázis-emitter feszültség is kicsit változik a terhelés függvényében, így a kimeneti feszültség kevéssé függ a kimeneti áramtól, megegyezik a bázisfeszültség és bázis-emitter feszültség különbségével. A tranzisztor lényegében emitterkövetőként működik.

A gyakorlatban ennél előnyösebb megoldásokat alkalmaznak. A következő táblázat a legalapvetőbb elrendezéseket mutatja.

Áramköri elrendezés	Tulajdonságok
	Áteresztőelem: N-típusú bipoláris tranzisztor A feszültségesés 1V körüli, Darlington tranzisztor esetén 2V Jelentősebb földponti áram, Darlington tranzisztor esetén kisebb Kisebb hatásfok Kis kimeneti ellenállás Jó stabilitás, kapacitív terhelés tűrése
	Áteresztőelem: P-típusú bipoláris tranzisztor Kis feszültségesés, 100mV-200mV körüli Jelentősebb földponti áram Jobb hatásfok Nagyobb kimeneti ellenállás Érzékenyebb a kapacitív terhelésre
	Áteresztőelem: P-MOSFET tranzisztor Kis feszültségesés, 100mV-200mV körüli, akár <100mV Kis földponti áram Jobb hatásfok Nagyobb kimeneti ellenállás Érzékenyebb a kapacitív terhelésre

A feszültségszabályozók bemenetén és kimenetén csatolásmentesítő kondenzátorokat használunk, melyek értéke 100nF..10uF közötti szokott lenni, az adatlapi javaslatot érdemes követni.

Klasszikus feszültségszabályzók

Az egyik legelterjedtebb hagyományos lineáris feszültségszabályzó áramkör (a 78-as sorozat) egyszerűsített felépítése a következő:

D1 állítja elő a V_ref referenciafeszültséget, ami egy differenciálerősítő neminvertáló bemenetére jut. A Darlington áteresztőtranzisztort a differenciálerősítő kimenete hajtja meg, a kimeneti feszültség pedig negatív visszacsatolásként az R2 és R3 ellenállásokból álló feszültségosztón keresztül jut vissza az invertáló bemenetre. Ezzel tehát a kimeneti feszültség

A C1 kondenzátor frekvenciakompenzálást végez. A Q3 tranzisztor egyrészt korlátozza a kimeneti áramot, másrészt úgynevezett visszahajló karakterisztikát biztosít a D2 és R4 alkatrészekkel. Ez azt jelenti, hogy rövidzár esetén a kimeneti áramlimit lényegesen kisebb értékű. Ez egyben hőmérsékletmegfutás elleni védelmet is jelent.

A feszültségszabályzó rögzített kimeneti feszültségű, többféle értékkel kapható.

Hasonló felépítésű áramkör létezik negatív tápfeszültség előállításához is (például a 79-es sorozat). Itt a belső áramköri részletek már nem szerepelnek, működési elve az előzőével egyező.

A következő áramkör (LM317) esetén a visszacsatolási tényező és ezzel a kimeneti feszültség külső ellenállásokkal állítható be.

Alacsony feszültségesésű feszültségszabályzók

Ma már lényegesen elterjedtebbek az alacsony feszültségesésű feszültségszabályzók (low dropout regulator, LDO). Ezeknél a bemeneti és kimeneti feszültség különbsége sokkal kisebb, akár jóval 100 mV alatt is lehet. Előnyösen használhatók ezért elemek, akkumulátorok tápfeszültségének szabályozására, kis feszültségű analóg és digitális áramkörök tápfeszültségeinek jó hatásfokú tápellátására.

Mivel az áteresztőtranzisztor nem feszültségkövető módban működik, a belső visszacsatolás nélküli kimeneti ellenállás jelentősebb, ezért az áramkör érzékenyebb a kapacitív terhelésre. Feszültségszabályzók kimenetére ugyanakkor mindig jut kapacitív terhelés a szabályzó és a meghajtott áramkörök csatolásmentesítése miatt.

Az alábbi ábra a feszültségszabályzó tipikus hurokerősítését mutatja a frekvencia függvényében:

A domináns pólust (fp1) a belső frekvenciakompenzálás hozza létre, a második pólus a kimenetre jutó kapacitív és rezisztív terhelés eredménye. A harmadik pólus az áteresztő elem szórt kapacitásával függ össze. A kimeneti csatolásmentesítő kondenzátor ekvivalens soros ellenállással (ESR) is rendelkezik, ami egy zérust ad az átviteli karakterisztikához, épp úgy, ahogy a műveleti erősítők kapacitív terhelésénél.

Ez hasznos is, mert így elkerülhető az instabilitás, a hurokerősítés egységnyi értékénél megfelelő lehet a fázistartalék. Ezzel viszont megnő a sávszélesség, ami okozhat instabilitást is, mivel megemeli a következő töréspontnál az erősítés értékét. A kondenzátor ESR értéke ezért csak egy bizonyos tartományban lehet, ami a tervezést jelentősen megnehezíti. A szimuláció jól mutatja a stabilitás zérusfrekvenciától (azaz az ekvivalens soros ellenállástól) való függését.

Specifikációk

A lineáris feszültségszabályzók adatlapjában a következő táblázatban összefoglalt paramétereket szokták megadni.

Jellemző	Leírás
Bemeneti feszültségtartomány input voltage range	A bemeneti tápfeszültség megengedett működési tartománya
Kimeneti feszültség output voltage	A kimeneti feszültség névleges értéke
A kimeneti feszültség tűrése output voltage accuracy	A kimeneti feszültség a névleges értéktől eltér, ennek mértékét tipikusan %-ban adják meg.
Legkisebb feszültségesés dropout voltage	A bemeneti és kimeneti feszültség különbségének minimális értéke. Az értéke függ a kimeneti áramtól, egy vagy több kimeneti áram melletti értéket adnak meg.
Földponti/nyugalmi áram ground current (quiescent current)	A tápfeszültségből felvett és kimeneti áram különbsége, a feszültségszabályzó áramfelvétele.
Kimeneti áramkorlát output current limit	A kimeneti áram értéke, amelynél a kimeneti feszültség 90%-ára esik.
Terhelési szabályozás load regulation	A kimeneti feszültség változásának és a hozzá tartozó kimeneti áram változásának a hányadosa. Ha a kimeneti áram megváltozik a terhelés változása miatt, akkor a kimeneti feszültség is változik valamennyire.
Kimenetszabályozás line regulation	A bemeneti feszültség változásának és a hozzá tartozó kimeneti feszültség változásának a hányadosa. Ha a bemeneti feszültség megváltozik, akkor a kimeneti feszültség is változik valamennyire.
Tápfeszültség elnyomási arány power supply rejection ratio, ripple rejection	Szinuszos bemeneti feszültségkomponens amplitúdójának és a hozzá tartozó kimeneti feszültségkomponens amplitúdójának a hányadosa a frekvencia függvényében. A frekvencia növekedésével egy bizonyos frekvencia felett csökken, ezért a bemeneti feszültség hullámossága nagyobb frekvenciák esetén jobban hat a kimenetre.
Kimeneti feszültségzaj output voltage noise	A kimeneti feszültségzaj spektrális sűrűsége vagy adott sávszélesség melletti effektív vagy csúcstól-csúcsig terjedő értéke.

Kapcsolóüzemű feszültségszabályzók, DC-DC konverterek

A feszültségszabályzók feladata szerint egy adott tápfeszültségből (DC vagy egyenirányított AC) kell előállítani egy vagy több DC tápfeszültséget. A lineáris feszültségszabályozók hatásfoka annál kisebb, minél nagyobb rajtuk a feszültségesés. Jelentős feszültségesés könnyen előfordulhat, ha például a bemeneti tápfeszültséget nem tudjuk optimális értékűnek választani, nagyobb ingadozással rendelkezik, vagy több különböző kimeneti feszültségre van szükség. Lineáris szabályozókkal nem tudunk feszültséget növelni, invertálni sem.

Ma már igen elterjedtek a kapcsolóüzemű feszültségszabályzók (switching regulators), melyek működési elve az, hogy a tápforrásból bizonyos időközönként adott mennyiségű energiát vesznek fel, és ezt juttatják a fogyasztóra. Azaz nem az áteresztőelem ellenállásszerű hatásával és egyben veszteséggel szabályozzák a fogyasztóra jutó áramot és ezzel a kimeneti feszültséget, hanem az időközönként felvett energia mennyiségével. Ez természetesen lüktető áramot és feszültséget jelent, aminek ingadozását átmeneti tárolóval lehet csökkenteni, simítani. Ilyen módon elméletileg 100% hatásfok is lehetséges, a gyakorlatban természetesen veszteség mindig létezik. Lehetséges tápfeszültség növelése, csökkentése és invertálása is.

Energia felvétele, tárolása és leadása

Mielőtt rátérnénk a gyakorlatban használt megvalósítások ismertetésére, tekintsük át, milyen elvi lehetőségeket fontolhatunk meg. Azt csak az elemzés során nézzük meg, a gyakorlatban is megvalósíthatók-e ezek.

Energia felvételére, tárolására, és későbbi visszanyerésére két passzív áramköri elem is alkalmas. A kondenzátoron tárolt energia mennyisége a rajta felhalmozódott töltésmennyiséggel, azaz a rajta eső feszültséggel, induktivitás esetén pedig a létrehozott mágneses térerősséggel, azaz az induktivitáson átfolyó árammal adható meg. Úgy is tekinthetjük, hogy a kondenzátor munkavégzésre használható feszültség, az induktivitás munkavégzésre használható áram tárolására alkalmas. A feltöltött kondenzátor ilyen értelemben feszültséggenerátorszerűen viselkedik: a rajta eső feszültség kevéssé változik a terhelés hatására, ha elég nagy a kapacitása. Az induktivitás pedig áramgenerátorszerű viselkedést mutat: a rajta átfolyó áram kicsit változik a terhelés hatására, ha elég nagy az induktivitása.

Energia felvétele

A fentiek alapján egyszerű megoldást adhatunk energia felvételére: kapcsoljuk a kondenzátort feszültséggenerátorra vagy az induktivitást áramgenerátorra. Az energiaforrásra kapcsolás pillanatában a kondenzátoron rögtön beáll a generátor feszültsége, az induktivitáson pedig a generátor árama. A gyakorlatban természetesen a feszültséggenerátor kimeneti árama és az áramgenerátoron létrejövő feszültség is korlátos (a kapcsolások pillanatában ezek végtelen nagyok lennének), így valamennyi időre szükség van az energia felvételéhez. A felvett energia mennyisége viszont nem függ attól, mennyi ideig hagyjuk a forrásra kapcsolva a tárolóelemeket. Ha a kapcsolókat a jobboldali állásba billentjük, akkor a fogyasztó elkezdi felvenni a tárolt energiát.

Ha a kondenzátort áramgenerátorra, az induktivitást feszültséggenerátorra kötjük, akkor a felvett energia mennyiségét szabályozni tudjuk az energiaforrásra kapcsolás időtartamának változtatásával. A kondenzátoron a feszültség, az induktivitáson az áram nő időben egyenletesen egészen addig, amíg az energiaforrásról le nem kapcsoljuk ezeket.

Ezzel egyszerűen szabályozhatóvá tehetjük a fogyasztóra jutó feszültséget vagy áramot. Azt viszont megállapíthatjuk, hogy az induktivitás esetén a feszültséggenerátor sosincs kitéve szélsőséges körülményeknek: bekapcsolva véges áramot elég adnia, kikapcsolva sem kell nagy értékekre számítani. Az áramgenerátor kivezetésein viszont kikapcsolt állapotban elvileg végtelen nagy feszültség jelenik meg. A feszültséggenerátor terheletlen esete semmilyen hasonló problémát nem jelent.

Energia tárolása

A fenti megoldásokkal az energiafelvétel ideje alatt a fogyasztóra nem jut energia, a cél pedig az, hogy közelítőleg egyenletes tápellátást biztosítsunk. Ezért a fogyasztó mellé is kell tárolóelemet tennünk, amivel a fogyasztót energiával lehet ellátni az energiafelvétel ideje alatt.

A fogyasztóval párhuzamosan kötött kondenzátor a feszültséget, a sorba kapcsolt induktivitás pedig az áramot tartja egy adott tartományon belül az energia felvétele közben. Az induktivitás mellé szükséges még egy kapcsoló is, ami zárja az áramkört az energia fogyasztóra juttatásához. Kondenzátor esetén nagyobb áram szükséges a forrásból ahhoz képest, mintha csak a fogyasztó lenne az áramkörben, induktivitás esetén pedig nagyobb feszültség.

Észrevehetjük, hogy ezek a kapcsolások elvileg az energia felvételét is elvégezhetik, ha nincs szükség arra, hogy a fogyasztóra jutó feszültséget vagy áramot az energiafelvétel idejével szabályozzuk. Ha a bemeneti oldali kapcsolók (S1, S2) vezetnek (ekkor S3-nak nyitottnak kell lennie), akkor a fogyasztóra és a tárolóelemre kapcsolódik a tápforrás, ellenkező esetben lekapcsolódik. Ehhez hasonló a váltakozó áramú egyenirányítás is, ahol dióda vezet energiafelvételkor, a fogyasztóra jutó feszültség szabályozása viszont nem lehetséges.

Készíthetünk egyszerűen kapcsolóüzemű DC/DC átalakítót?

A gyakorlatban feszültséggenerátorok adják a tápellátást, ebből kell ezért kiindulnunk. A feladat tehát a lineáris szabályzókéhoz hasonlóan az, hogy egy DC feszültségből állítsunk elő egy kisebb közel DC feszültséget, ami minél kisebb ingadozású.

Alkalmas erre egy kapcsoló és egy kondenzátor? Töltsük fel a kondenzátort, majd ha a feszültsége egy értéke alá esik, töltsük fel újra.

A probléma egyrészt az, hogy mindig a bemeneti feszültség értékére töltődik fel a kondenzátor, ráadásul nagyon nagy áram folyik a töltéskor. Ezt megszüntethetjük úgy, hogy a kapcsolóval sorba kötünk egy ellenállást:

Ez a kapcsolt jelre RC aluláteresztőként hat, azaz átlagértéket ad. Ezzel viszont veszteséget okozunk. Induktivitással is próbálkozhatunk:

Ha az induktivitást a forrásra kapcsoljuk, akkor a feszültség ugrásszerűen változik rajta, az áram viszont nem, folyamatosan növekeszik. Ha a kapcsoló földeli az induktivitás bemeneti oldalát, akkor az áram iránya nem változik, de elkezd csökkenni. A be- és kikapcsolás idejével ezért szabályozni tudjuk, mennyi átlagos áram, azaz mennyi átlagos feszültség jusson az ellenállásra.

Ez épp olyan, mintha egy PWM jelet szűrnénk meg egy LC aluláteresztő szűrővel:

Az LC aluláteresztő szűrő átviteli függvénye

így a τ időállandó értéke L/R. Ezzel tehát a PWM jel átlagolása történik, könnyen számítható a kimeneti jel ingadozása is. A kitöltési tényezővel változtathatjuk a fogyasztóra jutó feszültséget.

Ideális esetben a forrás által leadott összes teljesítmény a fogyasztóra jut, az induktivitáson nincs veszteség, az elméleti hatásfok 100 %.

Feszültségcsökkentő feszültségszabályzók

A feszültségcsökkentő feszültségszabályzó (step-down regulator, buck regulator) elvi felépítése az alábbi ábrán látható:

Az S1 kapcsoló a T periódusidőből t_on ideig van felső állapotban, a fentmaradó időben pedig az alsó állapotban. Úgy is tekinthetjük, hogy PWM jel vezérli, melynek kitöltési tényezője t_on/T.

Ha a kapcsoló a bementi feszültséget köti össze az induktivitással, akkor annak árama növekszik. Ha a kapcsoló átbillen, akkor az induktivitáson átfolyó áram tovább folyik, elkezd csökkenni, a rajta eső feszültség polaritást vált, a baloldali kivezetése földeltté válik, ezért a kondenzátoron és terhelésen továbbra is pozitív a feszültség, de csökken. Úgy is megközelíthetjük a fentebbieknek megfelelően, hogy a bemeneti feszültség egy PWM jel, melynek maximuma Vin, minimuma 0V és ez egy másodfokú LCR aluláteresztő szűrőbe kerül, azaz csillapítatlanul ennek DC komponense jut a fogyasztóra. Ebből már következik, hogy a kimeneti feszültség átlagértéke

ahol D a kitöltési tényező (duty cycle).

Ha feltételezzük, hogy a kimeneti feszültség ingadozása kicsi, akkor a kapcsoló felső állásában az induktivitáson átfolyó áram az indultivitást leíró egyenlet alapján közelítőleg az alábbi értékkel nő meg:

A kapcsoló másik állásában pedig csökken

Ez a két mennyiség természetesen egyforma nagyságú, így

amiből

Ezzel a gondolatmenettel ugyanazt kapjuk, mint az aluláteresztő szűrőnél használt megfontolással:

Azt is láthatjuk, hogy az áramingadozás mértéke fordítottan arányos az induktivitásértékkel. Ha a terhelő ellenállás értékét csökkentjük, akkor nő a kimeneti áram, de az áramingadozás mértéke ettől nem függ. Így növekvő terhelésnél a kimeneti feszültségingadozás csökken. A kondenzátor szerepe ilyenkor elhanyagolható, ami abból is következik, hogy az impedanciája az ellenálláséhoz képest nagy. Ekkor az áramkör LR aluláteresztőszűröként viselkedik, amit az előző részben már láttunk. Az áramingadozás akkor is csökken, ha a periódusidő csökken. Ez azt jelenti, hogy kisebb induktivitásérték elég egy bizonyos ingadozás eléréséhez, ha a kapcsolási frekvencia nagyobb.

A gyakorlatban kétkivezetéses kapcsolót és diódát is használhatnak a megvalósításhoz:

Ebben az esetben a dióda vezet akkor, amikor a kapcsoló nyitott állapotban van.

Folyamatos módnak (continuous mode) nevezik, amikor elég nagy a kimeneti áram, az induktivitás árama sosem csökken nullára. Ezt feltételeztük a fentebbi számításoknál. Mivel a kimeneti átlagos áram az induktivitáson átfolyó átlagos árammal egyezik meg, a határeset az, amikor az átlagos kimeneti áram az áramingadozás fele:

Így

Ha az átlagos kimeneti áram ennél kisebb, akkor szakaszos módban (discontinous mode) működik az áramkör, és ekkor összetettebb formula adja meg a kimeneti feszültséget.

A gyakorlatban a kimeneti feszültség pontos szabályozásához visszacsatolást alkalmaznak, ami a PWM jel kitöltési tényezőjét úgy állítja be, hogy a kimeneti feszültség értéke megfelelő legyen. Ennek az elvét mutatja az alábbi áramkör:

Feszültségnövelő feszültségszabályzók

Kapcsolóüzemű szabályozókkal feszültség növelése is megoldható (step-up regulator, boost regulator). Az elvi működési elrendezés a következő:

A diódás megvalósítás itt is lehetséges:

Kis áramingadozást feltételezve a kapcsoló zárt állásakor az induktivitáson az áramváltozás mértéke:

A kapcsoló kikapcsolásakor az induktivitáson átfolyó áram csökkenni kezd, a rajta eső feszültség polaritást vált, így a kimeneti feszültség nagyobb lesz a bemeneti feszültségnél. Az áram változása ebben a szakaszban:

A két változás egyenlőségéből:

Végül folyamatos működési mód esetén:

A folyamatos és szakaszos működés határának megállapításához most abból célszerű kiindulni, hogy ennél az elrendezésnél a induktivitáson átfolyó átlagos áram a bemeneti átlagos árammal azonos. Így ennek a minimális értéke az ingadozás felével egyezik meg határesetben:

Ideális esetben veszteségek nem lépnek fel, így a kimeneti és bemeneti átlagos teljesítmény megegyezik:

Ez utóbbi összefüggésekből a kimeneti áram minimumára adódik:

Felhasználva, hogy

kapjuk

Invertáló feszültségcsökkentő-nővelő feszültségszabályzók

Feszültséginvertáló kapcsolóüzemű feszültségszabályozó (buck-boost regulator) kimeneti feszültségének abszolútértéke a bemeneti feszültségnél kisebb és nagyobb is lehet. A működési elrendezést az alábbi kapcsolás adja meg:

A diódás megvalósítás:

Kis áramingadozást feltételezve a kapcsoló zárt állásakor az induktivitáson az áramváltozás mértéke:

Ha a kapcsoló kinyit, akkor az indultivitáson az áramirány változatlan, de a nagysága csökkenni kezd, egyúttal az induktivitáson eső feszültség polaritása megváltozik, tehát a kimeneti feszültség negatív lesz. Az áramváltozás:

A kettő egyenlősége alapján:

azaz

Primer oldali feszültségszabályzók

Az igen sokoldalú primer oldali feszültségszabályzók (flyback regulator) transzformátort használnak induktivitás helyett. A primer oldali induktivitáshoz kerül a kapcsoló, a szekunder oldalon hagyományos diódás egyenirányítást látunk simítókondenzátorral:

A pontok a transzformátornál az azonos (negatívabb) polaritású kivezetéseket jelölik. Ennek megfelelően, ha a kapcsoló zárt, akkor a primer oldali áram növekszik, a dióda lezár. Ekkor a fogyasztóra a kondenzátorból folyik áram. Ha a kapcsoló nyit, akkor a szekunder oldalon pozitív előjelű feszültség indukálódik a felső kivezetésen. A diódán az áram megindul az energia átjut a fogyasztóra és a kondenzátorra.

Ez a működés lényegében ugyanolyan, mint az invertáló feszültségcsökkentő-nővelő kapcsolás esetén, a különbség annyi, hogy az energia felvételét a primer, a leadását a szekunder rész végzi, és a menetszámok aránya (N:1) is befolyásolja a kimeneti feszültséget.

A bekapcsolt állapotban a primer tekercsben az áram változása

a kikapcsolási fázisban a dióda kinyit és szekunder oldali áramváltozás a primer oldalra vetítve a következő:

Ebből adódik:

A polaritás egyszerűen megválasztható a földeléssel és egyúttal galvanikus leválasztást is lehet biztosítani. Ha több szekunder tekercs áll rendelkezésre, akkor több különböző kimeneti feszültség is előállítható.

Kapcsolt kapacitású feszültségkonverterek

Kapcsolóüzemű feszültségkonvertereket speciális esetekre induktivitások nélkül is lehet készíteni. Az induktivitás helyett ekkor kondenzátor tölti be az energiatovábbítási funkciót. A kapcsolt kapacitású feszültségkonverterek (switched capacitor voltage converter, charge pump voltage converter) nem szabályzóként működnek, nem alkalmaznak visszacsatolást. Szükség esetén kiegészíthetők alacsony feszültségű lineáris feszültségszabályzóval.

Az egyik eset a feszültség invertálása, amit az alábbi áramkör végez el:

Egy 50% kitöltési tényezőjű órajel vezérli a kapcsolókat:

• Az egyik félperiódusban S1 és S2 zárt, S3 és S4 nyitott. Ekkor C1 feltöltődik a bemeneti feszültségnek megfelelő értékre.
• A másik félperiódusban S1 és S2 nyitott, S3 és S4 zárt. Ekkor C1 fordított polaritással kapcsolódik a kimenetre. Annyi töltés megy át C2-re, hogy a rajtuk levő feszültség azonos legyen.

A kimeneti terheléstől, azaz kimeneti áramtól függően beáll egy átlagos feszültség C2-n, ami kis kimeneti áram esetén a bemeneti feszültség -1-szereséhez közeli.

A másik gyakori elrendezés a feszültségkétszerező kapcsolás:

A működési elv hasonló, a különbség annyi, hogy a C1 a második fázisban a bemeneti feszültséggel soros kapcsolásba kerül, ezzel a feszültség kétszerese jelenik meg C1 felső kivezetésén.

Hatásfok

A hatásfok becsléséhez figyelembe kell venni, hol keletkezhetnek veszteségek és ezeknek milyen a mértéke. Az alábbiakat vehetjük figyelembe:

Komponens	Veszteség
Kapcsoló	A kapcsolók zárt állapotban sem ideális vezetők, véges ellenállásúak, átfolyik rajtuk a kimeneti áram, és a működésből adódó lüktető áram is.
Dióda	A dióda nyitó irányban előfeszített állapotában átfolyik a kimeneti áram, és a működésből adódó lüktető áram egy része is. Ez a dióda nyitófeszültségével együtt használható a teljesítményveszteség becslésére.
Induktivitás	Az induktivitások soros ellenállásán átfolyik a kimeneti áram, de még kimeneti áram nélkül is lüktető áram folyik, ami veszteséget okoz. Az induktivitás magja és szórt mágneses tere is jelent bizonyos mértékű veszteséget.
Kondenzátor	A kondenzátorok ekvivalens soros ellenállásán átfolyó áram veszteséget jelent. Értéke az áram effektív értékének ismeretében adható meg. Nagyon alacsony kimeneti áramok esetén a kondenzátorok akár néhány uA-nyi szivárgó áram is valamennyire számíthat.
Működtető áramkörök	Az áramkör működéséhez áramfelvétel társul. Ide tartozhat az oszcillátor, a szabályzást vezérlő rész áramfelvétele.

Specifikációk

A kapcsolóüzemű feszültségszabályzók esetén is használatosak azok a specifikációk, melyek lineáris szabályzóknál láthatók, ezek a felhasználási szempontokhoz ugyanúgy fontosak. A kapcsolások következményeként további tulajdonságokat is figyelembe kell vennünk.

Ezek közé tartozik a bemeneti forrás lüktető terhelése, a kimeneti feszültségingadozás (ripple), melyek állandó bemeneti feszültség és állandó terhelés mellett is fellépnek. Ide sorolható a kapcsolási frekvencia is, ami a kondenzátorok, induktivitások kiválasztása mellett befolyásolja az áramkörök működését is a tápfeszültségelnyomás frekvenciafüggése miatt. Különösen problémás lehet ez nagyobb frekvenciák és precízebb analóg jelfeldolgozás esetén. A kapcsolási frekvencia pár tíz kHz-től pár MHz-ig terjedhet.

Tervezési szempontok

A hagyományos módszer alapján az adatlapban található útmutatót követve szükséges a követelményeknek megfelelő megoldást megválasztani. Ez elég fáradságos, alapos figyelmet és gyakorlatot igénylő munka is lehet. Ma már a gyártók honlapján alkalmazások segítik a tervezést, megadják a szükséges alkatrészek tulajdonságait, a kapcsolást, a müködési jellemzőket.

A főbb lépések tipikusan a következők

• Az induktivitáson megengedett áramingadozás és a be és kikapcsolási idők ismeretében megválasztható az induktivitás. Az induktivitás soros ellenállásának figyelembe vétele mellett a maximális áramot a mag is korlátozza.
• A kimeneti feszültségingadozás kiszámítható az áramingadozás, kapacitás felhasználásával.
• Mivel a szabályzás visszacsatoláson alapszik, fontos figyelembe venni a stabilitási feltételeket.
• A tranziens viselkedés függ a PWM jel tulajdonságaitól, a nagyjelű sajátosságoktól is, különösen nagyobb kimeneti terhelésváltozások esetén.
• Többféle veszteséget (az integrált áramkör nyugalmi árama, a kapcsoló ellenállása, az induktivitás, kondenzátor nemideális tulajdonsága, veszteség a diódán, a működéshez szükséges ellenállásokon, stb.) vehetünk figyelembe a hatásfok meghatározásához.

Alkalmazási szempontok

A lineáris és kapcsolóüzemű feszültségszabályzók tárgyalása esetén is ideális bemeneti feszültségforrást feltételeztünk. Az ettől való eltérés különösen tranziens terheléseknél lehet kritikus, kapcsolóüzemű szabályzók eleve a bemeneti forrás dinamikus terhelését okozzák. Fontos ezért, hogy a szabályzók bemeneti oldalán megfelelő kapacitások legyenek.

A kondenzátorok kiválasztásánál fontos a nemideális tulajdonságaik ismerete, elsősorban az alábbi modellben látható ekvivalens soros ellenállás (ESR) és ekvivalens soros induktivitás (ESL):

A bemeneti oldalon elektrolit és kerámia vagy filmkondenzátorokat gyakran kötnek párhuzamosan, mivel az egyik nagyobb kapacitással, a másik jobb nagyfrekvenciás tulajdonságokkal (kis ESR és ESL) rendelkezik. Hatékonyabb szűrés és a szabványoknak megfelelő elektromágneses kompatibilitás (EMC, EN55032) érdekében LC szűrő is szükséges lehet a bemeneten:

A kimeneti oldalon a kondenzátor ESR értéke a stabilitás szempontjából is fontos, ESL pedig nagyfrekvencián számít és a tranziens terhelésre adott válaszjel alakját is befolyásolja. Az ekvivalens soros ellenálláson a lüktető áram hőt fejleszt, a kondenzátor adatlapja ezért korlátot adhat ennek mértékére elsősorban elektrolit (alumínium és tantál) kondenzátorok esetén.

A kimenetre kapcsolt integrált áramköröknél minden esetben fontos a csatolásmentesítő kondenzátorok megléte (tipikusan 100nF kerámia, X7R vagy X5R).

Mindenképp érdemes figyelmet fordítani a földvezetékezés kialakítására. Az egyes komponensek visszatérő áramát egy pontban (csillagpont, star ground) kell összegyűjteni, hogy a vezetékek parazita ellenállása és induktivitása miatt fellépő feszültségkülönbség minél kisebb legyen az egyes áramköri elemek földpontjain. Ezt illusztrálja a következő ábra: