हिरन (स्टेप-डाउन) स्विचिंग नियामकों को एक प्रारंभ करनेवाला और डायोड की आवश्यकता क्यों है?

Question

तो, मैं समझता हूं, कम से कम एक बुनियादी स्तर पर, कन्वर्टर्स के संचालन की विधि, दोनों हिरन और बूस्ट। हालांकि, मेरे लिए पहेली क्या है, क्यों हिरन कन्वर्टर्स विशेष रूप से सरल नहीं हैं।

एक संधारित्र को चार्ज करने वाले एक स्विच के रूप में एक हिरन कनवर्टर का निर्माण क्यों नहीं किया जाता है, एक तुलनित्र द्वारा नियंत्रित स्विच को आउटपुट वोल्टेज की तुलना एक संदर्भ से किया जाता है? क्या यह बहुत सरल नहीं होगा, जिससे आप प्रारंभकर्ता के स्थान पर अधिक आसानी से और सस्ते में उपलब्ध संधारित्र का उपयोग कर सकेंगे, और डायोड को पूरी तरह से छोड़ देंगे?

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"क्यों हिरन कन्वर्टर्स विशेष रूप से सरल नहीं हैं" आपका मतलब है कि हिरन कन्वर्टर्स बूस्टर कन्वर्टर्स की तुलना में सरल क्यों नहीं हैं (जो सच नहीं है), या हिरन कन्वर्टर्स की तुलना में वे क्यों सरल नहीं हैं?

— तेलक्लेवो

@Telaclavo उत्तरार्द्ध।

— निक जॉनसन

Answer 1

बक कन्वर्टर्स बूस्ट कन्वर्टर्स के रूप में सरल हैं। वास्तव में, वे वास्तव में एक ही सर्किट हैं, बस पीछे की ओर देखा जाता है, अगर हमें यह चुनने की स्वतंत्रता है कि कौन सा स्विच (दोनों में से) नियंत्रित स्विच के रूप में काम करेगा (या दोनों, यदि यह एक तुल्यकालिक कनवर्टर है)।

अपने दूसरे पैराग्राफ के बारे में, अगर आपने ऐसा किया, तो आप घाटे में चलेंगे। एक प्रारंभ करनेवाला-आधारित स्विच्ड नियामक के साथ, और एक रैखिक नियामक की तुलना में बहुत अधिक। हर बार जब आप एक वोल्टेज स्रोत को एक संधारित्र से जोड़ते हैं जिसका प्रारंभिक वोल्टेज वोल्टेज स्रोत के समान नहीं होता है, तो आप अनपेक्षित रूप से ऊर्जा बर्बाद करते हैं। यहां तक ​​कि अगर आपको एक स्पष्ट अवरोधक नहीं दिखता है, तो वास्तविक जीवन में यह है, और (उत्सुकता से) कोई फर्क नहीं पड़ता कि यह कितना छोटा है, यह ऊर्जा की उसी मात्रा को बर्बाद कर देगा। देखें यहाँ ।

चार्ज पंप आपके कहे अनुसार काम करते हैं, लेकिन वे प्रारंभ-आधारित स्विच किए गए नियामकों की तुलना में कम कुशल होते हैं।

इसलिए, यह अनुचित - अनावश्यक रूप से जोड़े गए प्रारंभकर्ता-आधारित स्विच नियामकों की जटिलता का औचित्य है।

अधिक : हिरन और बूस्ट कन्वर्टर्स क्यों मौजूद हैं, इसका अंतर्ज्ञान आपको देने की कोशिश करने के लिए, यह आंकड़ा देखें।

यदि आप दो वोल्टेज स्रोतों के बीच ऊर्जा को स्थानांतरित करने का प्रयास करते हैं जो एक जैसे नहीं हैं, या दो वर्तमान स्रोतों के बीच जो एक जैसे नहीं हैं, तो आपके पास अपरिहार्य नुकसान होंगे। दूसरी ओर, आप बिना ऊर्जा (और यहां तक कि कुछ वोल्टेज या रास्ते पर वर्तमान स्केलिंग कर रही है) स्थानांतरित कर सकते हैं किसी भी हानि, यदि आप एक वर्तमान स्रोत में एक वोल्टेज स्रोत कनेक्ट। निष्क्रिय भौतिक तत्व जो सबसे वर्तमान स्रोत जैसा दिखता है, एक प्रारंभ करनेवाला है। यही कारण है कि प्रारंभ करनेवाला-आधारित स्विच्ड नियामक मौजूद हैं।

चार्ज पंप बाएं कॉलम पर होगा। उनकी सैद्धांतिक अधिकतम दक्षता 100% से कम है (वास्तविक दक्षता वोल्टेज के अंतर पर निर्भर करती है, और समाई)। इंडेक्टर-आधारित स्विच किए गए नियामक सही स्तंभ पर हैं। उनकी सैद्धांतिक अधिकतम दक्षता 100% (!) है।

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धन्यवाद। यह लिंक अब तक की सबसे स्पष्ट व्याख्या प्रदान करता है, हालांकि यह वास्तव में यह नहीं बताता है कि ऐसा क्यों होता है। क्या मैं यह सोचने में सही हूं कि इस प्रकार दक्षता 50% होगी?

— निक जॉनसन

$CV^2$$\frac{CV^2}{2}$

@NickJohnson "क्यों" निम्नलिखित कथन में है। डब्ल्यू = ऊर्जा। क्यू = प्रभार। एफ़ फ़ाइनल =। जो सच है वह "डब्ल्यूएफ = डब्ल्यू 1 + डब्ल्यू 2" नहीं है। क्या सच है "QF = Q1 + Q2" क्योंकि, कोई फर्क नहीं पड़ता कि क्या कोई रोकनेवाला है, और यह कितना बड़ा है, यह स्पष्ट है कि चार्ज कहीं और नहीं जा सकता है। चूँकि दोनों असंगत हैं, इसलिए यह "WF = W1 + W2" गलत है, और यह कि कुछ ऊर्जा को कहीं और बर्बाद करना पड़ता है (परजीवी प्रतिरोध में, वास्तविक जीवन में)।

— तेलक्लेवो

Answer 2

आप जो वर्णन कर रहे हैं उसके साथ समस्या वर्तमान है। एक हिरन कनवर्टर में, आप केवल 5 ए के साथ औसत 10 ए प्राप्त कर सकते हैं, क्योंकि अन्य 5 ए डायोड के माध्यम से आउटपुट तक पहुंचता है। और डायोड आगमनात्मक किक के कारण केवल पक्षपाती है। प्रारंभ करनेवाला और डायोड के बिना, आउटपुट के प्रवाह के लिए वर्तमान के लिए केवल एक ही रास्ता है, और यह सीधे इनपुट से बाहर है। उस टोपोलॉजी के साथ, यदि आपका औसत आउटपुट करंट 10A है, तो आपके औसत इनपुट करंट को भी 10A होना चाहिए। और यदि आप इनपुट से आउटपुट तक वोल्टेज खो रहे हैं, जबकि करंट समान रहता है, तो खोई हुई ऊर्जा गर्मी के रूप में नष्ट हो जाती है। यह पहली जगह में एक रैखिक नियामक के बजाय एक स्विचिंग नियामक का उपयोग करने के उद्देश्य को पराजित करता है।

इसके अलावा, यदि आप अलग-अलग वोल्टेज पर दो कैप लेते हैं और उनके बीच एक स्विच बंद करते हैं, तो तात्कालिक करंट बहुत, बहुत बड़ा होने वाला है। प्रत्येक टोपी को थियेनिन स्रोत के रूप में मॉडल करें, श्रृंखला में प्रतिरोध के साथ एक परिपूर्ण वोल्टेज की आपूर्ति। दो सही स्रोतों के बीच पथ का प्रतिरोध स्विचिंग डिवाइस का ऑन-स्टेट प्रतिरोध होगा, साथ ही दोनों कैप के ईएसआर। कैप्स का ईएसआर शायद 1 mOhm के आदेश पर होने वाला है, अगर बहुत कम नहीं है। एक ट्रांजिस्टर का ऑन-स्टेट प्रतिरोध अलग-अलग हो सकता है, लेकिन शायद 100 mOhm से अधिक नहीं है। इसलिए यदि आपके पास इनपुट और आउटपुट के बीच 10V अंतर है, तो स्विच चालू करने पर आपका तात्कालिक इनपुट / स्विच चालू कम से कम 100A होगा, और संभवत: हजारों एम्पों के रूप में उच्च होगा।

बेशक, आपके पास केवल इतनी बार ही स्पाइक्स होंगे, जो आउटपुट लोड और आपके तुलना लूप की जकड़न पर निर्भर करता है। बाकी समय, आपका इनपुट / स्विच करंट शून्य है। तो आप 1 ए औसत खींच रहे होंगे, लेकिन जो इनपुट देखता है वह 1000% स्पाइक्स ए .1% शुल्क चक्र पर है। नियमित रूप से बड़े वर्तमान स्पाइक जैसे कि उचित फ़्यूज़िंग को एक समस्या बनाने जा रहे हैं; उस तरह की तरंग का RMS करंट 18x औसत करंट की तरह होता है! उन्हें बीफियर स्विच की भी आवश्यकता होती है, जो तात्कालिक धाराओं के साथ संतृप्त नहीं होगा। विद्युत चुम्बकीय शोर के कुछ भी नहीं कहने के लिए कि व्यवस्था बंद हो जाएगी!

ट्रांजिस्टर को एक एनालॉग मोड में छोड़ने के लिए बेहतर है और बस इसके गेट वोल्टेज को समायोजित करें ताकि नाली-स्रोत प्रतिरोध वांछित वोल्टेज पर आउटपुट कैप रखता है। और वहां आपके पास एक रैखिक नियामक है।

Answer 3

निक - मैं काफी हद तक दूसरों के लिए प्रारंभ करनेवाला कनवर्टर चर्चा छोड़ दूंगा और पता करूंगा:

एक संधारित्र को चार्ज करने वाले एक स्विच के रूप में एक हिरन कनवर्टर का निर्माण क्यों नहीं किया जाता है, एक तुलनित्र द्वारा नियंत्रित स्विच को आउटपुट वोल्टेज की तुलना एक संदर्भ से किया जाता है? क्या यह बहुत सरल नहीं होगा, जिससे आप प्रारंभकर्ता के स्थान पर अधिक आसानी से और सस्ते में उपलब्ध संधारित्र का उपयोग कर सकेंगे, और डायोड को पूरी तरह से छोड़ देंगे?

बहुत विशेष तरीकों का उपयोग करके संधारित्र कन्वर्टर्स बनाना संभव है जो ऊर्जा को एक वोल्टेज स्तर से दूसरे में कुशलता से परिवर्तित करते हैं। लेकिन सरलीकृत तरीके बुरी तरह से विफल हो जाते हैं। एक एकल चरण संधारित्र कनवर्टर जो एक संधारित्र से दूसरे समाई में डंपिंग चार्ज द्वारा वोल्टेज को आधा कर देता है, इसमें 50% की सैद्धांतिक दक्षता होती है और सैद्धांतिक एक की तुलना में अधिक व्यावहारिक और शायद कम होती है। यह 'भौतिकी के नियमों' के सरल अनुप्रयोग के कारण है। दुर्भाग्यपूर्ण वास्तविकता यह है कि अच्छी दक्षता हासिल करने की आवश्यकताएं कैपेसिटर आधारित एक की तुलना में कहीं अधिक आसानी से प्रारंभ करनेवाला आधार कनवर्टर से मिलती हैं।

इस सरल विचार प्रयोग का प्रयास करें।
दो कैपेसिटर C1 और C2 बराबर कैपेसिटेंस लें।
चार्ज सी 1 को 10 वी कहना।
चार्ज और कैपेसिटेंस से संबंधित एक मूल सूत्र V = kQ / C है
जहां V संधारित्र वोल्टेज है, k एक स्थिर है, Q आवेश और C = समाई है। अब C2 को C1 से कनेक्ट करें।
C1 में चार्ज अब C1 और C2 के बीच समान रूप से साझा किया जाएगा।
तो प्रत्येक संधारित्र पर वोल्टेज 5V है - या तो क्योंकि प्रत्येक पर चार्ज आधा मूल है या क्योंकि समाई दोगुनी हो गई है - एक ही चीज को देखने के 2 तरीके।

अब तक सब ठीक है।

एक संधारित्र में BUT ऊर्जा 0.5 x C x V ^ 2 है।

प्रारंभ में E = 0.5 x C x 10 ^ 2 = 50C ऊर्जा इकाइयों से ऊपर।
प्रति कैपेसिटर दो ऊर्जा = 0.5 x C x 5 ^ 2 या दो कैप
ऊर्जा = 2 x 0.5 x C x 5 ^ 2 = 25C ​​ऊर्जा इकाइयों के संयोजन के बाद ।
ओ प्यारे ! :-(।
बस दो कैपेसिटर के संयोजन से और उन्हें उस चार्ज को साझा करने से जो हमारे पास मौजूद
ऊर्जा है, आधी ऊर्जा को प्रक्रिया में खो दिया गया है!
यह अनौपचारिक रूप से विचित्र और अकथनीय तथ्य स्थानांतरण के दौरान प्रतिरोध ऊर्जा के नुकसान के कारण है। सबसे अच्छा हम आधी ऊर्जा खो देते हैं यदि वोल्टेज इस तरह से कम हो जाता है। न्यूनतम खो ऊर्जा परिणाम समान है कि क्या हम ऊर्जा के हस्तांतरण के लिए प्रतिरोध का एक बड़ा मूल्य या बहुत कम मूल्य प्रतिरोध का उपयोग करते हैं जैसे कि तार का एक टुकड़ा - एक छोटा सा अंश एक ओम। बाद के मामले में हमें बेहद उच्च धाराएं मिलती हैं।

एक "स्पष्ट" समाधान "चार्ज करने के लिए एक दूसरे के ऊपर कैपेसिटर को खड़ा करना" है ताकि उन्हें चार्ज किया जा सके और उन्हें निर्वहन करने के लिए समानांतर में रखा जा सके। यह काम! एक चक्र के लिए। सैद्धांतिक दक्षता = 100%। इस मामले में व्यवहार में ऐसा करने से जटिलता और नुकसान के साथ कम से कम 2 x परिवर्तनकारी स्विच होते हैं और यह केवल 2: 1 अनुपात के लिए काम करता है। इससे भी बदतर, अगर हम कैप वोल्टेज को लोड के साथ कम करते हैं, तो इसे अगले चक्र के लिए फिर से व्यवस्थित करने की आवश्यकता होती है, हम पाते हैं कि रिचार्ज में पहले की तरह ही प्रतिरोधक नुकसान हैं। 100% सैद्धांतिक दक्षता हमें तभी मिलती है जब हम कोई शक्ति नहीं निकालते हैं :-(
प्रकार का एक समाधान संधारित्र वोल्टेज ड्रॉप केवल एक बहुत छोटी राशि है और केवल एक छोटी राशि द्वारा रिचार्ज करना है। यदि हम ऐसा करते हैं तो दक्षता 100% के करीब हो सकती है लेकिन हमें प्रति लोड करंट में बड़े कैप की आवश्यकता होती है (क्योंकि अधिकांश क्षमता का उपयोग सिर्फ वोल्टेज को स्थिर रखने के लिए किया जाता है) और हमारे पास अभी भी केवल 2: 1 का रूपांतरण अनुपात है। अन्य अनुपात हासिल किए जा सकते हैं लेकिन यह कष्टप्रद है, जटिल और महंगा है और ज्यादातर मामलों में प्रेरकों का उपयोग करने पर कुछ या कोई लाभ नहीं है। कुछ बहुत ही विशेषज्ञ कन्वर्टर्स इस तरह से काम करते हैं लेकिन वे दुर्लभ हैं। और आप कुछ निश्चित अनुपात जैसे 2: 1, 3: 1, 4: 1 के साथ कनवर्टर आईसीएस को खरीद या नीचे कर सकते हैं, लेकिन वे आमतौर पर कम शक्ति वाले होते हैं, लोड के साथ वाउट ड्रॉप (उच्चतर Zout अच्छा है) और वे आमतौर पर नीच हैं एक प्रारंभ करनेवाला आधारित कनवर्टर में कई मायनों में।

यही कारण है कि आप आमतौर पर वोल्टेज स्टेपडाउन के लिए उपयोग में एक अच्छा सरल, सस्ता आसान हिरन कनवर्टर देखते हैं। वास्तविक कनवर्टर 1 एक्स एल, 1 एक्स डी, 1 एक्स स्विच (एमओएसएफईटी या जो कुछ भी) का उपयोग करता है और बाकी "गोंद" या सुधार है। नियंत्रक भी बहुत सरल हो सकता है।

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बहुत बढ़िया स्पष्टीकरण, धन्यवाद। मैं अभी भी उत्सुक हूं कि संधारित्र का चार्ज वोल्टेज के बजाय वोल्टेज के वर्ग पर आधारित है, लेकिन यह मूल प्रश्न की तुलना में एक भौतिकी रथोल में अधिक गहरा है।

— निक जॉनसन

चार्ज वोल्टेज पर निर्भर है और ऊर्जा चार्ज और वोल्टेज दोनों पर निर्भर है। इसलिए ऊर्जा वोल्टेज वर्ग पर निर्भर होती है। जैसा कि पानी के टैंकों के एक सादृश्य के बारे में कहा जाता है, एक ही फ्लैट टैंक की तुलना में एक ही पतले टैंक में एक ही पानी में अधिक संभावित ऊर्जा (टैंक के तल के सापेक्ष) होती है।

— पीटर ग्रीन

Answer 4

कैपेसिटर के वोल्टेज को स्थिर रखना असंभव होगा। हर बार जब आप स्विच बंद करते हैं तो आप उस पर एक वोल्टेज (क्या वोल्टेज?) डंप करेंगे, और एक उच्च धारा के कारण वोल्टेज ऊपर जाएगा। संधारित्र इसे पसंद नहीं करेगा। और आप बहुत सारी ऊर्जा खो देंगे स्विचिंग में ।

एक स्विचर में कॉइल बनाता है कि संधारित्र चार्ज करने वाला सुचारू रूप से ऊपर उठता है और औसतन यह लोड करंट का अनुसरण करता है। स्विच खुलने पर डायोड की जरूरत होती है। उस पल में कुंडली ने एक चुंबकीय क्षेत्र बनाया है जिसकी ऊर्जा को कहीं जाना होता है। डायोड लूप को बंद कर देता है जिससे कॉइल का करंट बहता रहता है।

अधिक उन्नत स्विचिंग उपकरणों के लिए धन्यवाद, हिरन कन्वर्टर्स इन दिनों का निर्माण करने के लिए बहुत सरल हैं, उनके ऑपरेशन सिद्धांत से पता चलता है। और वे 95% तक दक्षता प्राप्त कर सकते हैं, जो बस एक कैपेसिटर को चालू और बंद करना कभी नहीं कर सकता है।

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यह प्रारंभ करनेवाला के वोल्टेज को स्थिर रखने के लिए समान रूप से असंभव है, हालांकि - दोनों अपरिहार्य तरंग को सुचारू करने के लिए सेवा करते हैं क्योंकि स्विच चालू और बंद होता है। मैं क्या पूछ रहा हूं कि प्रारंभ करनेवाला उसके लिए बेहतर अनुकूल क्यों है।

— निक जॉनसन

प्रारंभ करनेवाला का वोल्टेज स्थिर होना जरूरी नहीं है। यह संधारित्र है जो मायने रखता है, और यह बहुत अच्छी तरह से स्थिर रखा जाता है!

— स्टीवन्वह

Answer 5

डायोड की आवश्यकता को समझने का सबसे सरल तरीका यह सोचना है कि इलेक्ट्रॉन कितनी बार लोड के माध्यम से हर बार आपूर्ति के माध्यम से जा सकते हैं। यदि कोई डायोड नहीं है, तो लोड के माध्यम से जाने वाले प्रत्येक इलेक्ट्रॉन को फिर से आपूर्ति के माध्यम से वापस जाना चाहिए, इससे पहले कि वह लोड को फिर से कर सके। डायोड को जोड़ना कुछ इलेक्ट्रॉनों के लिए लोड की यात्रा करना, डायोड के माध्यम से जाना, और आपूर्ति के माध्यम से वापस जाने के बिना लोड पर फिर से जाना संभव बनाता है। कॉइल आवश्यक है क्योंकि इसके बिना इलेक्ट्रॉनों जो लोड के माध्यम से जाते हैं और डायोड तक पहुंचते हैं, डायोड के माध्यम से जाने और लोड को फिर से देखने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं होगी। कॉइल इलेक्ट्रॉनों से अतिरिक्त ऊर्जा को अवशोषित करता है जो आपूर्ति से नए सिरे से आ रहे हैं, और फिर उस पुनर्निर्मित इलेक्ट्रॉनों को खिलाते हैं।

Answer 6

आप एक डीसी वोल्टेज को एक प्रतिरोधक अनुपात, श्रृंखला में एक, रु। और प्रतिरोधक, आरएल एंड लोड को शंट करने के लिए आम में ले जा सकते हैं, लेकिन आप जानते हैं कि इसकी शक्ति हानि के साथ कुशल नहीं है = V * मैं श्रृंखला में रु।

YOu एक स्विच किए गए रेसिस्टर अनुपात (जैसा आपने सुझाया है) के साथ नीचे जा सकता है और फिर श्रृंखला प्रतिरोध कर्तव्य चक्र का एक कार्य है और प्रभावी श्रृंखला प्रतिरोध (ESR) स्विच करता है।

इसलिए रु। = ईएसआर / टी {जहां टी का समय / चक्र समय टी = 0 से 1 के लिए है}

अब आपके लोड को वोल्टेज को स्थिर करने के लिए समाई की आवश्यकता है और शायद एक सक्रिय जेनर है और श्रृंखला अवरोधक में अभी भी नुकसान होगा। 10: 1 अनुपात पर विचार करें, तो वर्तमान 10x अधिक है लेकिन 1/10 वें समय में, इसलिए P = V * I * T, बिजली नुकसान एक रैखिक नियामक के समान है। सही बात?

THe प्रारंभ करनेवाला वोल्टेज को नीचे लाते समय स्थिर वर्तमान प्रदान करता है। चूंकि धारा काफी हद तक प्रतिक्रियाशील होती है और चरण-बंद डिवाइस के रूप में एसी स्विच किए गए घड़ी के लिए चरण से बाहर होती है, इसलिए यह बहुत अधिक कुशल है। सही बात? मेरे प्रतिक्रियाशील प्रतिबाधा लोड की तुलना में बहुत कम है, आप और भी अधिक कुशल हो सकते हैं। थीस का मतलब है स्विचिंग रेट और इंडक्शन वैल्यू को बढ़ाना। लेकिन फेराइट संतृप्ति एक व्यावहारिक वर्तमान सीमा तक पहुंचती है और बहुत बड़ी धाराओं के लिए एयर-गेप्ड फेराइट के साथ जाना महत्वपूर्ण है ।