Kõrgendav pingemuundur

Kõrgendav pingemuundur (ingl boost converter) on induktiivse salvestiga (induktiivpooliga) alalispingemuundur, mille abil muundatakse sisend-alalispinge kõrgema väärtusega väljund-alalispingeks.

Pingekõrgendusmuundurit kasutatakse enamasti patarei (nt leeliselemendi või akuelemendi) pinge tõstmiseks toidetava seadme jaoks vajaliku väärtuseni. Niisuguse muunduri abil tõstetakse näiteks ka 12 V autoaku pinge 24 voldile.

Tööpõhimõte

Kõrgendava pingemuunduri lihtsustatud põhimõtteskeem

Kõrgendava pingemuunduri vooluring suletud ja avatud lüliti korral

Induktiivpool L1 on vooluahelas järjestikku dioodiga D1, mis laseb voolu läbi sisendi poolt koormuse suunas. Dioodi järel on laenguid summeeriv kondensaator C1, mis hoiab väljundpinge püsivana. Kondensaator peab olema piisavalt suur, et selle aja jooksul ei langeks väljundpinge alla soovitud minimaalse pinge. Pooli ühendab perioodiliselt maaga transistoril (nt MOSFET) põhinev elektronlüliti, mis saab korrapäraselt sisse- ja väljalülitavaid signaale tüürlülituselt (pole skeemil näidatud).

Lüliti sulgemise järel langeb poolile kogu sisendvooluallika pinge $\left(U_{\rm {E}}=U_{\rm {L}}=L\,{\frac {{\text{d}}i_{\rm {L}}}{{\text{d}}t}}\right)$, pooli läbib vool ja tema magnetvälja salvestub energia elektrilaenguna. Sel hetkel, kui lüliti avaneb, püüab pool voolu alal hoida. Seejuures pinge tema dioodipoolsel otsal kasvab kiiresti; kui see ületab väljundpinge ja ühtlasi pinge kondensaatoril, siis diood muutub juhtivaks ja teda läbiva vooluga kandub pooli energia kondensaatorisse ja seega ka koormusele.

Vaadeldud lihtsaima skeemiga pingemuundur pole ei lühise- ega tühijooksukindel ja vajab vastavaid lisalülitusi.

Väljundpinge reguleerimisel rakendatakse tüürlülituses pulsilaiusmodulatsiooni (PWM). Sel juhul muudetakse töötsüklis (kommutatsiooniperioodi kestel) lüliti avatud oleku aega, mida väljendatakse täiteteguriga

$D={t_{avat} \over T},$

kus $t_{avat}$ on ajavahemik, mil lüliti on avatud olekus, ja $T={t_{sul}+t_{avat}}$ on kommutatsiooniperiood.

Muunduri väljundpinge

$U_{v{\ddot {a}}ljund}={U_{sisend} \over 1-D}.$

Tüürsignaali täitetegur on valitav vahemikus 1 kuni 0, seega on regulaatori väljundpinge sisendpingest alati kõrgem või sellega võrdne (kui $D=0$). Et hoida väljundpinge koormuse muutumisel võimalikult püsiv, muudetakse tagasisideahela kaudu vastavalt transistori avatud oleku kestust. Kui väljundkoormus suureneb või sisendpinge alaneb, tuleb transistori avatud oleku aega pikendada ning vastupidisel juhul lühendada.

Töörežiimid

Pingekõrgendusmuunduril on võimalik kaks töörežiimi: pidev ning katkendlik. Need režiimid kirjeldavad vaid muunduri induktiivpooli tööd. Katkendlikul töörežiimil peatub töötsükli lõpus vool poolis täielikult. Pideva tööviisi korral säilib vool läbi pooli kogu tsükli jooksul. Väljundvool on mõlemal tööviisil ikkagi katkendlik.

Pinge (V) ja voolu (I) ajaline käik katkendlikus töörežiimis

Katkendlik töörežiim

Töötsükli alguses lülitatakse transistor sisse, mis põhjustab induktiivpooli L voolu kasvu kuni maksimumväärtuseni

$I_{pool}={U_{sisend}\cdot T_{on} \over L_{1}},$

kus T_on on töötsükli ajavahemik, mil lüliti on sisselülitatud seisus (lülitustransistor avatud, s.t juhtiv). Selle aja jooksul salvestub induktiivpooli energia

$E={L_{1}\cdot I_{p}^{2} \over 2}.$

Seejärel lülitatakse transistor välja ning pooli salvestunud energia liigub väljundisse. Kuna töötsükli lõpuks on poolis vool null, on kogu energia jõudnud väljundisse. Seega annab induktiivpool väljundisse võimsuse

$P_{pool}={E \over T}={{L_{1}\cdot I_{p}^{2}} \over 2T}.$

Ajal, mil transistor on välja lülitatud (lüliti avatud), kandub sisendpinge allikast läbi pooli ja dioodi koormusele energia E, mille võimsus

$P_{sisend}=U_{sisend}\cdot {I_{p} \over 2}{T_{off} \over T}$.

Koormuseni jõudev kogu võimsus on nende kahe võimsuse summa:

$P=P_{pool}+P_{sisend}={{L_{1}\cdot I_{p}^{2}} \over 2T}+V_{sisend}\cdot {I_{p} \over 2}\cdot {T_{p} \over T}$

Pinge (V) ja voolu (I) ajaline käik pidevas töörežiimis

Pidev töörežiim

Töötsükli esimese poole jooksul on transistor juhtiv ning voolutugevus induktiivpoolis tõuseb. Töötsükli teises pooles on transistor kinni ning voolutugevus induktiivpoolis langeb.

Ebastabiilsus pidevas töörežiimis

Kui pidevas režiimis töötava pingekõrgendusmuunduri sisendpinge väheneb või koormuse voolutarve suureneb järsult, hakkab ka muunduri väljundpinge langema. Et hoida seda samal tasemel, peab väline tüürlülitus suurendama täitetegurit. See aga põhjustab alguses veel suurema väljundpinge languse, sest transistori lahtioleku aega muudetakse kinnioleku aja arvelt. Seega muutub ka aeg, mil induktiivpoolist läbi dioodi vool väljundisse liigub. Soovitud väljundpinge taastub alles pärast mitut töötsüklit, kui poolis olev voolutugevus on piisavalt suureks kasvanud.

Katkendlikus režiimis seda probleemi ei esine – transistori töösoleku aja pikendamiseks saab alati kasutada kahe töötsükli vahelist aega. Kui aga väljundpinge taseme hoidmiseks on vaja pikemat ajavahemikku kui üks töötsükkel, satub muundur pidevasse režiimi.