स्विचिंग बूस्ट रेगुलेटर: डिजाइन बेसिक्स और दक्षता

इलेक्ट्रॉनिक्स में, एक नियामक एक उपकरण या तंत्र है जो लगातार बिजली उत्पादन को नियंत्रित कर सकता है। बिजली आपूर्ति डोमेन में विभिन्न प्रकार के नियामक उपलब्ध हैं। लेकिन मुख्य रूप से, डीसी से डीसी रूपांतरण के मामले में, दो प्रकार के नियामक उपलब्ध हैं: रैखिक या स्विचिंग ।

एक रैखिक नियामक एक प्रतिरोधक वोल्टेज ड्रॉप का उपयोग करके आउटपुट को नियंत्रित करता है, और इसके कारण रैखिक नियामक कम दक्षता प्रदान करते हैं और गर्मी के रूप में शक्ति खो देते हैं।

दूसरी तरफ स्विचिंग रेगुलेटर अपने स्रोत से ऊर्जा को आउटपुट में स्थानांतरित करने के लिए प्रारंभ करनेवाला, डायोड और एक पावर स्विच का उपयोग करता है।

स्विचिंग नियामकों के तीन प्रकार उपलब्ध हैं।

1. स्टेप-अप कन्वर्टर (बूस्ट रेगुलेटर)

2. चरण-नीचे कनवर्टर (बक नियामक)

3. इन्वर्टर (फ्लाईबैक)

इस ट्यूटोरियल में हम स्विचिंग बूस्ट रेगुलेटर सर्किट का वर्णन करते हैं । हमने पहले से ही ट्यूटोरियल में बूस्ट रेगुलेटर डिज़ाइन का वर्णन किया है। यहां हम बूस्ट कनवर्टर के विभिन्न पहलुओं और इसकी दक्षता में सुधार करने के तरीके पर चर्चा करेंगे ।

बूस्ट कनवर्टर सर्किट के डिजाइन की मूल बातें

कई मामलों में, हमें आवश्यकताओं के आधार पर कम वोल्टेज को उच्च वोल्टेज में बदलने की आवश्यकता होती है। बूस्ट रेगुलेटर लो पोटेंशियल को लो पोटेंशियल से हायर पोटेंशियल तक बढ़ा देता है।

उपरोक्त छवि में, एक साधारण बूस्ट रेगुलेटर सर्किट दिखाया गया है जहां एक इंडक्टर, डायोड, कैपेसिटर और एक स्विच का उपयोग किया जाता है।

प्रारंभ करनेवाला का उद्देश्य वर्तमान स्विच दर को सीमित करना है जो पावर स्विच के माध्यम से बह रहा है। यह अतिरिक्त उच्च-शिखर वर्तमान को सीमित करेगा जो स्विच प्रतिरोध द्वारा व्यक्तिगत रूप से अपरिहार्य है।

इसके अलावा, प्रारंभ करनेवाला दुकानों ऊर्जा, ऊर्जा जूल में मापा ई = (एल * मैं ² /2)

हम समझेंगे कि आने वाले चित्रों और ग्राफ़ में इंडक्शनर्स ऊर्जा कैसे स्थानांतरित करते हैं।

बूस्टिंग नियामकों को स्विच करने के मामले में, दो चरण हैं, एक है इंडक्टर चार्ज चरण या स्विच ऑन फेज (स्विच वास्तव में बंद है) और दूसरा एक है डिस्चार्ज चरण या स्विच ऑफ चरण (स्विच खुला है)।

यदि हम मानते हैं कि स्विच लंबे समय से खुली स्थिति में है, तो डायोड में वोल्टेज की गिरावट नकारात्मक है और संधारित्र के पार वोल्टेज इनपुट वोल्टेज के बराबर है। इस स्थिति में, यदि स्विच बंद हो जाता है तो विनर को घेरे में ले लिया जाता है। डायोड संधारित्र निर्वहन को स्विच के माध्यम से जमीन पर रोकता है।

प्रारंभ करनेवाला के माध्यम से वर्तमान समय के साथ रैखिक रूप से उगता है। रैखिक वर्तमान बढ़ती दर इंडक्शन डि / dt = वोल्ट द्वारा इंडक्टर / इंडक्शन द्वारा विभाजित इनपुट वोल्टेज के लिए आनुपातिक है

ऊपरी ग्राफ में, प्रारंभ करनेवाला का चार्ज चरण दिखा रहा है। X- अक्ष टी (समय) को दर्शाता है और Y- अक्ष को I (प्रारंभ करनेवाला के माध्यम से) दर्शाता है। वर्तमान स्विच के बंद या चालू होने पर समय के साथ रैखिक रूप से बढ़ रहा है।

अब, जब स्विच फिर से बंद हो जाता है या खुला हो जाता है, प्रारंभ करनेवाला डायोड के माध्यम से प्रवाह करता है और आउटपुट कैपेसिटर को चार्ज करता है। जब आउटपुट वोल्टेज बढ़ता है, तो प्रारंभ करनेवाला के माध्यम से वर्तमान ढलान उलट जाती है। आउटपुट वोल्टेज तब तक बढ़ जाता है जब तक प्रारंभ करनेवाला = L * (di / dt) के माध्यम से वोल्टेज नहीं पहुंच जाता है।

समय के साथ प्रारंभ करनेवाला वर्तमान ड्रॉप दर प्रारंभ करनेवाला वोल्टेज के लिए आनुपातिक है। उच्च प्रारंभ करनेवाला वोल्टेज, तेजी से प्रारंभ करनेवाला के माध्यम से ड्रॉप।

उपरोक्त ग्राफ़ में, प्रारंभ करनेवाला वर्तमान समय के साथ गिरता है जब स्विच बंद हो जाता है ।

जब स्विचिंग नियामक स्थिर-स्थिति ऑपरेटिंग स्थिति में होता है, तो इंडिकॉर का औसत वोल्टेज पूरे स्विचिंग चक्र के दौरान शून्य होता है। इस स्थिति के लिए, प्रारंभ करनेवाला के माध्यम से औसत वर्तमान भी स्थिर स्थिति में है।

यदि हम मानते हैं कि प्रारंभ करनेवाला चार्ज समय टन है और सर्किट में एक इनपुट वोल्टेज है, तो आउटपुट वोल्टेज के लिए एक विशिष्ट टॉफ या डिस्चार्ज समय होगा।

चूंकि औसत प्रारंभ करनेवाला वोल्टेज स्थिर अवस्था में शून्य के बराबर होता है इसलिए हम निम्नलिखित शब्दों का उपयोग करके बूस्ट सर्किट का निर्माण कर सकते हैं

विन एक्स टन = टोफ़ एक्स वीएल वीएल = विन एक्स (टन / टॉफ़)

जैसा कि आउटपुट वोल्टेज इनपुट वोल्टेज और औसत प्रारंभ करनेवाला वोल्टेज के बराबर होता है (Vout = Vin + VL)

हम कह सकते हैं कि, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

हम कर्तव्य चक्र का उपयोग करके वाउट की गणना भी कर सकते हैं।

ड्यूटी साइकिल (डी) = टन / (टन + टॉफ)

बूस्टिंग स्विचिंग रेग्युलेटर के लिए Vout विन / (1 - D) होगा

बूस्ट कन्वर्टर सर्किट के लिए पीडब्लूएम और ड्यूटी साइकिल

यदि हम कर्तव्य चक्र को नियंत्रित करते हैं, तो हम बढ़ावा कनवर्टर के स्थिर-राज्य आउटपुट को नियंत्रित कर सकते हैं। इसलिए, कर्तव्य चक्र भिन्नता के लिए, हम स्विच पर नियंत्रण सर्किट का उपयोग करते हैं।

इसलिए, एक पूर्ण बुनियादी बूस्टर रेगुलेटर सर्किट के लिए, हमें एक अतिरिक्त सर्किटरी की आवश्यकता होती है जो कर्तव्य चक्र में भिन्न होगी और इस प्रकार प्रारंभ करनेवाला समय स्रोत से ऊर्जा प्राप्त करता है।

उपरोक्त छवि में, एक त्रुटि एम्पलीफायर को देखा जा सकता है जो फीडबैक पथ का उपयोग करके लोड भर में आउटपुट वोल्टेज का एहसास करता है और स्विच को नियंत्रित करता है। अधिकांश सामान्य नियंत्रण टेकनीक में PWM या पल्स चौड़ाई मॉड्यूलेशन टेक्निक शामिल है जो सर्किट्री के कर्तव्य चक्र को नियंत्रित करने के लिए उपयोग किया जाता है।

नियंत्रण परिपथ नियंत्रण समय की राशि स्विच, खुले या बंद रहता है वर्तमान भार द्वारा तैयार पर निर्भर करता है। यह सर्किट स्थिर अवस्था में निरंतर संचालन के लिए भी उपयोग करता है। यह आउटपुट वोल्टेज का एक नमूना लेगा और इसे एक संदर्भ वोल्टेज से घटाएगा और एक छोटी सी त्रुटि सिग्नल बनाएगा, फिर इस त्रुटि सिग्नल की तुलना एक थरथरानवाला रैंप सिग्नल से की जाएगी और तुलनित्र आउटपुट से एक PWM सिग्नल स्विच संचालित या नियंत्रित करेगा सर्किट।

जब आउटपुट वोल्टेज बदलता है, तो त्रुटि वोल्टेज भी इससे प्रभावित होता है। त्रुटि वोल्टेज परिवर्तन के कारण, तुलनित्र PWM आउटपुट को नियंत्रित करता है। पीडब्लूएम एक स्थिति में भी बदल गया जब आउटपुट वोल्टेज शून्य त्रुटि वोल्टेज बनाता है और ऐसा करने से, बंद नियंत्रण लूप सिस्टम कार्य को निष्पादित करता है।

सौभाग्य से, अधिकांश आधुनिक स्विचिंग बूस्ट नियामकों में आईसी पैकेज के अंदर यह चीज इनबिल्ट है। इस प्रकार सरल सर्किटरी डिज़ाइन को आधुनिक स्विचिंग नियामकों का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है।

संदर्भ प्रतिक्रिया वोल्टेज एक अवरोधक विभक्त नेटवर्क का उपयोग करके किया जाता है। यह अतिरिक्त सर्किटरी है, जिसे प्रारंभ करनेवाला, डायोड और कैपेसिटर के साथ की आवश्यकता होती है।

बूस्ट कनवर्टर सर्किट की दक्षता में सुधार

अब, अगर हम दक्षता के बारे में जांच करते हैं, तो यह है कि हम सर्किट्री के अंदर कितनी शक्ति प्रदान करते हैं और आउटपुट पर हमें कितना मिलता है।

(पाउट / पिन) * 100%

चूंकि ऊर्जा का निर्माण नहीं किया जा सकता और न ही इसे नष्ट किया जा सकता है, इसे केवल परिवर्तित किया जा सकता है, अधिकांश विद्युत ऊर्जाएं अप्रयुक्त शक्तियों को गर्मी में परिवर्तित कर देती हैं। इसके अलावा, व्यावहारिक क्षेत्र में कोई आदर्श स्थिति नहीं है, वोल्टेज नियामकों के चयन के लिए दक्षता एक बड़ा कारक है।

एक स्विचिंग नियामक के लिए मुख्य शक्ति-हानि कारकों में से एक डायोड है। आगे वोल्टेज ड्रॉप बार वर्तमान (Vf xi) अप्रयुक्त वाट क्षमता है जो गर्मी में परिवर्तित हो जाती है और स्विचिंग नियामक सर्किट की दक्षता कम कर देती है। इसके अलावा, थर्मल / हीट मैनेजमेंट टेकनीक के लिए हीटसिंक का उपयोग करने के लिए सर्किट्री के लिए यह अतिरिक्त लागत है, या फैट गर्मी से सर्किटरी को ठंडा करने के लिए। न केवल आगे वोल्टेज ड्रॉप, सिलिकॉन डायोड के लिए रिवर्स रिकवरी भी अनावश्यक बिजली हानि और समग्र दक्षता में कमी का उत्पादन करती है।

एक मानक रिकवरी डायोड से बचने का सबसे अच्छा तरीका डायोड के स्थान पर Schottky डायोड का उपयोग करना है जिसमें कम आगे वोल्टेज ड्रॉप और बेहतर रिवर्स रिकवरी है। जब अधिकतम दक्षता की आवश्यकता होती है, तो डायोड को MOSFETs का उपयोग करके बदला जा सकता है। आधुनिक तकनीक में, स्विचिंग बूस्ट रेगुलेटर सेक्शन में बहुत सारे विकल्प उपलब्ध हैं, जो आसानी से 90% से अधिक दक्षता प्रदान करते हैं।

इसके अलावा, एक विशेषता "स्किप मोड" है जिसका उपयोग कई आधुनिक उपकरणों में किया जा रहा है जो नियामक को बहुत हल्के भार पर स्विच करने की आवश्यकता नहीं होने पर स्विचिंग साइकिल को छोड़ने की अनुमति देता है। यह प्रकाश लोड की स्थिति में दक्षता में सुधार करने का एक शानदार तरीका है। स्किप मोड में, स्विचिंग चक्र तभी शुरू किया जाता है जब आउटपुट वोल्टेज एक विनियमन सीमा से नीचे चला जाता है।

उच्च दक्षता होने के बावजूद, स्थिर डिज़ाइन टेक्निक, छोटे घटक, स्विचिंग रेगुलेटर एक रैखिक नियामक की तुलना में शोर करते हैं। फिर भी, वे व्यापक रूप से लोकप्रिय हैं।

बूस्ट कनवर्टर के लिए उदाहरण डिजाइन

हमने पहले MC34063 का उपयोग करके एक बूस्ट रेगुलेटर सर्किट बनाया था जहां 3.7V इनपुट वोल्टेज से 5V आउटपुट उत्पन्न होता है। MC34063 स्विचिंग रेगुलेटर है जिसे बूस्टर रेगुलेटर कॉन्फ़िगरेशन में इस्तेमाल किया गया था। हमने एक Inductor, एक Schottky डायोड और कैपेसिटर का उपयोग किया।

उपरोक्त छवि में, Cout आउटपुट कैपेसिटर है और हमने एक प्रारंभ करनेवाला और Schottky डायोड का भी उपयोग किया है जो एक स्विचिंग नियामक के लिए बुनियादी घटक हैं। इसमें फीडबैक नेटवर्क का भी इस्तेमाल किया गया है। आर 1 और आर 2 प्रतिरोधक एक वोल्टेज विभक्त सर्किट बनाते हैं जो कि तुलनित्र के पीडब्लूएम और त्रुटि प्रवर्धन चरण के लिए आवश्यक होता है। तुलनित्र का संदर्भ वोल्टेज 1.25V है।

यदि हम परियोजना को विस्तार से देखते हैं, तो हम देख सकते हैं कि इस MC34063 स्विचिंग बूस्ट रेगुलेटर सर्किट द्वारा 70-75% दक्षता हासिल की जाती है। उचित पीसीबी टेक्निक का उपयोग करके और थर्मल प्रबंधन प्रक्रियाओं को प्राप्त करने से आगे की दक्षता में सुधार किया जा सकता है।