Zřídka kladené otázky Převod napětí ve čtyřech kvadrantech

Co je to čtyřkvadrantový napájecí zdroj?

Napájecí zdroj, který je schopen plnit funkci „zřídla“ i „noru“ jak kladných, tak záporných proudů i napětí.

Zatímco jednoduché měniče napětí mohou generovat pevné výstupní napětí z napětí vstupního, existují aplikace, pro něž není taková funkce dostačující.

Příkladem je řízení napětí uzlu, k němuž jsou připojeny kondenzátory. Tyto kondenzátory mohou být nabity na libovolné napětí. Pokud je třeba uvést tento uzel na nižší napěťovou úroveň, musí dojít k částečnému vybití těchto kondenzátorů. V takové aplikaci tedy musí být zdroj schopen plnit funkci zdroje proudu a stejně tak umět proud stáhnout k zemi podle potřeby. Takový měnič se nazývá čtyřkvadrantový DC/DC měnič. Pro aplikace, jako je tato, lze použít zdroj s funkcí vybíjení výstupu, s jejíž pomocí dokáže zdroj kondenzátory rychle vybít. Obr. 1 ukazuje popsanou funkci pro snižující spínaný regulátor. Zde je spínač S2 sepnut na delší čas poté, když dojde k vypnutí spínacího cyklu měniče „Buck“ a výstupní kondenzátor se vybije.

Elegantní způsob řízení proudů a napětí je pomocí čtyřkvadrantového DC/DC měniče. Typický měnič topologie Buck pracuje v jednom kvadrantu. Dokáže generovat kladné napětí a proud kladným směrem; to znamená tekoucí z DC/DC měniče do zátěže. S čtyřkvadrantovým měničem lze nejenom vybít výstupní kondenzátory, ale také generovat napětí. Taková funkce je možná vzhledem k tomu, že proud může téct jak směrem k zátěži, tak směrem od zátěže. Tak je tomu v předchozím příkladu popisujícím rychlé vybíjení výstupních kondenzátorů. Čtyřkvadrantový DC/DC měnič toho ale umí více. Vedle generování napětí dokáže nastavit proud na jakoukoliv úroveň. Tento proud může být kladný nebo záporný. Takové čtyřkvadrantové měniče se často používají v laboratorních zdrojích. Uživatel může například testovat LED s využitím pevně nastaveného proudu. Solární článek může také pracovat s čtyřkvadrantovým měničem, který tentokrát funguje jako zátěž stahující proud předem dané hodnoty na zem.

Jinou zajímavou aplikací je zbarvování okenních tabulí na principu technologie LCD. Tato aplikace často vyžaduje přesně nastavené napětí v kladném a záporném rozsahu pro získání patřičné úrovně zbarvení v závislosti na množství venkovního světla a žádoucím jasu v místnosti.

Obr. 2 ukazuje, co vlastně čtyři kvadranty znamenají v souvislosti s napájecím zdrojem. Kvadranty pravoúhlého souřadného systému jsou zobrazeny s napětím na ose x a proudem na ose y. Proud a napětí mohou nabývat kladných nebo záporných hodnot.

DC/DC měnič tedy může být použit jako energetický zdroj, stejně jako energetický nor. Jinými slovy, měnič může fungovat jako zdroj napájení nebo elektrická zátěž.

Obvod LT8714 od Analog Devices je kontrolér čtyřkvadrantového regulátoru. Má všechny funkce vyžadované pro tento typ regulace. S použitím tohoto IO lze například přesně udržovat napětí 0 V. Obr. 3 ukazuje zjednodušené schéma zapojení s IO kontroléru a výkonovým stupněm, který sestává ze dvou indukčností L1 a L2, dvou spínačů Q1 a Q2 a vazebního kondenzátoru Cc. Vysvětlení činnosti obvodu v každém z kvadrantů, stejně jako jeho chování při přechodech z jednoho kvadrantu do druhého je možné nalézt v katalogovém listu LT8714.

V některých aplikacích je třeba napájecího zdroje pracujícího ve čtyřech kvadrantech. Takový zdroj lze snadno postavit na základě optimalizovaného kontroléru, jakým je LT8714. Konstrukce obvodu je velmi jednoduchá a jeho činnost je zvláště v okolí obvykle kritického přechodového bodu 0 V čistá a spolehlivá.

Ke čtyřkvadrantovému regulátoru existují alternativní řešení, jako jsou topologie spínaných regulátorů, které je třeba pro dosažení čtyřkvadrantové funkce zapojit paralelně. Takové alternativy jsou nicméně často nákladnější ve srovnání s řešením specificky navrženým jako čtyřkvadrantové. Článek byl přeložen a poskytnut firmou Amtek s. r. o.