हिरन नियामक स्विचन: डिजाइन की मूल बातें 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 बक रेगुलेटर सर्किट का वर्णन करेंगे । हमने पहले ही ट्यूटोरियल में बक रेगुलेटर डिज़ाइन का वर्णन किया है। यहां हम बक कनवर्टर के विभिन्न पहलुओं और इसकी दक्षता में सुधार करने के तरीके पर चर्चा करेंगे ।

बक और बूस्ट रेगुलेटर के बीच अंतर

हिरन और बूस्टर रेगुलेटर के बीच अंतर है, हिरन रेगुलेटर में इंसट्रक्टर, डायोड और स्विचिंग सर्किट का प्लेसमेंट बूस्ट रेगुलेटर से अलग होता है। इसके अलावा, बूस्टर रेगुलेटर के मामले में आउटपुट वोल्टेज इनपुट वोल्टेज से अधिक होता है, लेकिन हिरन रेगुलेटर में आउटपुट वोल्टेज इनपुट वोल्टेज से कम होता है।

एक हिरन टोपोलॉजी या हिरन कनवर्टर एसएमपीएस में इस्तेमाल सबसे अधिक इस्तेमाल किया बुनियादी टोपोलॉजी में से एक है। यह एक लोकप्रिय विकल्प है जहां हमें उच्च वोल्टेज को कम आउटपुट वोल्टेज में बदलने की आवश्यकता है।

बूस्ट रेगुलेटर के रूप में भी, एक हिरन कनवर्टर या हिरन रेगुलेटर में एक प्रारंभ करनेवाला होता है, लेकिन प्रारंभ करनेवाला का कनेक्शन बूस्ट नियामकों में उपयोग किए गए इनपुट चरण के बजाय आउटपुट चरण में होता है।

इसलिए, कई मामलों में, हमें आवश्यकताओं के आधार पर कम वोल्टेज को उच्च वोल्टेज में बदलने की आवश्यकता होती है। बक नियामक उच्च क्षमता से वोल्टेज को कम क्षमता में परिवर्तित करता है।

बक कनवर्टर सर्किट के डिजाइन मूल बातें

उपरोक्त छवि में, एक साधारण बक नियामक सर्किट दिखाया गया है जहां एक इंडक्टर, डायोड, कैपेसिटर और एक स्विच का उपयोग किया जाता है। इनपुट सीधे स्विच से जुड़ा हुआ है। Inductor और संधारित्र आउटपुट से जुड़े होते हैं, इस प्रकार लोड को सुस्पष्ट आउटपुट करंट वेवफॉर्म मिलता है। नकारात्मक वर्तमान प्रवाह को अवरुद्ध करने के लिए डायोड का उपयोग किया जाता है।

बूस्टिंग नियामकों को स्विच करने के मामले में, दो चरण हैं, एक है इंडक्टर चार्ज चरण या स्विच-ऑन चरण (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 सर्किट में वर्तमान 0 है और कोई वोल्टेज मौजूद नहीं है।

इस स्थिति में, यदि स्विच बंद हो जाता है तो करंट बढ़ेगा और प्रारंभ करनेवाला इसके पार एक वोल्टेज बनाएगा। यह वोल्टेज ड्रॉप आउटपुट वोल्टेज स्रोत को कम करता है, कुछ क्षणों के बाद वर्तमान परिवर्तन की दर कम हो जाती है और प्रारंभ में वोल्टेज भी कम हो जाता है जो अंततः लोड भर में वोल्टेज बढ़ाता है। Inductor स्टोर ऊर्जा का उपयोग चुंबकीय क्षेत्र है।

इसलिए, जब स्विच चालू होता है, प्रारंभ करनेवाला के पार वोल्टेज V _L = Vin - Vout होता है

प्रारंभ करनेवाला की दर (विन - वाउट) / एल की दर से बढ़ती है

प्रारंभ करनेवाला के माध्यम से वर्तमान समय के साथ रैखिक रूप से उगता है। रैखिक वर्तमान बढ़ती दर इनपुट वोल्टेज कम आउटपुट वोल्टेज के अनुपात में विभाजित है

di / dt = (Vin - Vout) / L

प्रारंभ करनेवाला के आवेश चरण को दर्शाने वाला ऊपरी ग्राफ। X- अक्ष t (समय) को दर्शाता है और Y- अक्ष को i (वर्तमान को प्रारंभ करनेवाला) के रूप में दर्शाता है । वर्तमान स्विच के बंद या चालू होने पर समय के साथ रैखिक रूप से बढ़ रहा है।

इस समय के दौरान जबकि करंट अभी भी बदल रहा है, हमेशा एक वोल्टेज की शुरुआत होती है जो प्रारंभ में होती है। लोड भर में वोल्टेज इनपुट वोल्टेज से कम होगा। ऑफ स्टेट के दौरान, स्विच खुला रहने पर, इनपुट वोल्टेज स्रोत काट दिया जाता है, और प्रारंभ करनेवाला संग्रहीत ऊर्जा को लोड पर स्थानांतरित कर देगा। प्रारंभ करनेवाला वर्तमान स्रोत बन जाएगा लोड के लिए।

डायोड डी 1 स्विच ऑफ-स्टेट के दौरान प्रारंभ करनेवाला के माध्यम से बहने वाले वर्तमान का एक वापसी मार्ग प्रदान करेगा।

प्रारंभ करनेवाला चालू -Vout / L के बराबर ढलान के साथ घटता है

बक कन्वर्टर ऑपरेटिंग मोड

बक कन्वर्टर को दो अलग-अलग मोड में संचालित किया जा सकता है। निरंतर मोड या बंद मोड ।

निरंतर मोड

सतत मोड के दौरान, प्रारंभ करनेवाला पूरी तरह से छुट्टी दे दी है, चार्ज चक्र शुरू होता है जब प्रारंभ करनेवाला आंशिक रूप से छुट्टी दे दी है।

ऊपर की छवि में, हम देख सकते हैं, जब स्विच चालू हो जाता है जब प्रारंभ करनेवाला वर्तमान (आईआई) रैखिक रूप से बढ़ता है, तो जब स्विच बंद हो जाता है तो प्रारंभ करनेवाला कम होना शुरू हो जाता है, लेकिन स्विच फिर से चालू हो जाता है जबकि प्रारंभ करनेवाला आंशिक रूप से छुट्टी दे देता है। यह ऑपरेशन का कंटीन्यूअस मोड है।

प्रारंभ में संग्रहीत ऊर्जा E = (LI _L ²) / 2 है

बंद मोड

डिसकंटेंट मोड, निरंतर मोड से थोड़ा अलग है। डिसकंटेंट मोड में, एक नया चार्ज चक्र शुरू करने से पहले, इंडक्टर ने पूरी तरह से छुट्टी दे दी। स्विच चालू होने से पहले, इंडेक्टर पूरी तरह से शून्य में डिस्चार्ज हो जाएगा।

बंद मोड के दौरान, जैसा कि हम उपरोक्त छवि में देख सकते हैं जब स्विच चालू हो जाता है, प्रारंभ करनेवाला वर्तमान (il) रैखिक रूप से बढ़ता है, फिर जब स्विच बंद हो जाता है, तो प्रारंभ करनेवाला कम होना शुरू हो जाता है, लेकिन स्विच केवल प्रारंभ करनेवाला के बाद चालू होता है पूरी तरह से छुट्टी दे दी है और प्रारंभ करनेवाला वर्तमान पूरी तरह से शून्य हो गया है। यह ऑपरेशन का डिसकाउंट मोड है। इस ऑपरेशन में, प्रारंभ करनेवाला के माध्यम से वर्तमान प्रवाह निरंतर नहीं है।

बक कन्वर्टर सर्किट के लिए PWM और ड्यूटी साइकिल

जैसा कि हमने पिछले हिरन कनवर्टर ट्यूटोरियल में चर्चा की थी, कर्तव्य चक्र को अलग करके हम हिरन नियामक सर्किट को नियंत्रित कर सकते हैं। इसके लिए एक बुनियादी नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता होती है। एक त्रुटि एम्पलीफायर और स्विच नियंत्रण सर्किट को अतिरिक्त रूप से आवश्यक है जो निरंतर या बंद मोड में काम करेगा।

तो, एक पूर्ण हिरन नियामक सर्किट के लिए, हमें एक अतिरिक्त सर्किटरी की आवश्यकता होती है जो कर्तव्य चक्र को अलग-अलग करेगा 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 सर्किट उस समय की मात्रा को नियंत्रित करता है जब स्विच खुला रहता है या यह नियंत्रित करता है कि प्रारंभ करनेवाला चार्ज या निर्वहन कितना समय।

यह सर्किट ऑपरेशन के मोड के आधार पर स्विच को नियंत्रित 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 हिरन नियामकों में आईसी पैकेज के अंदर यह चीज इनबिल्ट होती 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।

बक कन्वर्टर सर्किट की दक्षता में सुधार

अब, अगर हम दक्षता के बारे में जांच करते हैं, तो 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 वर्तमान (Vf xi) से गुणा किया जाता है जो अप्रयुक्त वाट क्षमता है जिसे गर्मी में परिवर्तित किया जाता है और स्विचिंग नियामक सर्किट की दक्षता कम कर देता है। इसके अलावा, थर्मल / हीट मैनेजमेंट टेकनीक के लिए हीटसिंक का उपयोग करने के लिए सर्किट्री के लिए 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 बक रेगुलेटर सेक्शन में बहुत सारे विकल्प उपलब्ध हैं, जो आसानी से 90% से अधिक दक्षता प्रदान करते हैं।

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।

बक कन्वर्टर के लिए उदाहरण डिजाइन

हमने पहले MC34063 का उपयोग करके एक हिरन रेगुलेटर सर्किट बनाया था जहाँ 5V आउटपुट 12V इनपुट वोल्टेज से उत्पन्न होता है। MC34063 स्विचिंग नियामक है जो हिरन नियामक कॉन्फ़िगरेशन में उपयोग 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 बक रेगुलेटर सर्किट द्वारा 75-78% दक्षता प्राप्त 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।

उदाहरण बक नियामक का उपयोग-

कम वोल्टेज अनुप्रयोग में डीसी पावर स्रोत
पोर्टेबल उपकरण
ऑडियो उपकरण
एंबेडेड हार्डवेयर सिस्टम।
सौर प्रणाली आदि