Pytanie:

Czym są czterokwadrantowe przetworniki napięcia?

Odpowiedź

To układy, które są w stanie pracować zarówno przy prądzie wpływającym, jak i wypływającym, a także z dodatnim i ujemnym napięciem wyjściowym we wszystkich czterech konfiguracjach.

Podstawowe konwertery napięcia generują stałe napięcie wyjściowe z napięcia wejściowego. Istnieją jednak aplikacje, w których taka praca zasilacza jest niewystarczająca. Dobrym przykładem jest sterowanie węzłów napięciowych, do których podłączone są kondensatory. Takie kondensatory można ładować do różnych napięć. Jeśli trzeba zmniejszyć napięcie na kondensatorach, trzeba je częściowo rozładować. W związku z tym układ sterujący musi umieć wysyłać oraz odbierać prąd z układu. Taki konwerter jest nazywany konwerterem czterokwadrantowym. W tego typu aplikacjach układ zasilający może być także używany do szybkiego rozładowywania zewnętrznych kondensatorów. Rysunek 1 prezentuje tą funkcję dla stabilizatora impulsowego typu step-down. Klucz S2 jest włączany na dłuższy okres po przełączeniu konwertera buck, co powoduje rozładowywanie kondensatora na wyjściu.

Rys. 1. Proces rozładowywania kondensatora za pomocą prostej funkcji rozładowującej

Czterokwadrantowy konwerter napięcia

Czterokwadrantowy konwerter napięcia stałego to elegancki sposób kontroli napięć i prądów. Typowy konwerter buck pracuje tylko w jednym kwadrancie. Jest bowiem w stanie generować dodatnie napięcie oraz prąd wypływający z układu, to jest płynący od wyjścia zasilania do obciążenia. Konwerter czterokwadrantowy potrafi nie tylko rozładowywać kondensatory, ale także generować napięcia dodatnie i ujemne. Również prąd może zarówno wpływać, jak i wypływać z obciążenia. Ten przypadek zachodzi właśnie we wspomnianym przykładzie, gdy konwertera używamy do szybkiego rozładowywania kondensatorów.

Konwerter czterokwadrantowy ma także inne ciekawe właściwości. Oprócz generowania napięcia jest także w stanie ustalić stały prąd na dowolny poziom, zarówno wypływający, jak i wpływający. Taki układ jest często stosowany w uniwersalnych zasilaczach laboratoryjnych. Użytkownik przyrządu może na przykład przetestować diody LED dzięki funkcji stałego prądu. Może także pracować z ogniwami słonecznymi, gdzie konwerter pracuje jako obciążenie pobierające z ogniwa ustalony prąd.

Kolejna ciekawa aplikacja to przyciemnianie szyb za pomocą technologii LCD. Wymaga ona precyzyjnej stabilizacji napięcia w zakresie dodatnim oraz ujemnym. Pozwala to osiągnąć odpowiednią dokładność przyciemniania w zależności od poziomu światła i wymaganej jasności w pokoju.

Rys. 2. Czterokwadrantowy konwerter napięcia

Rysunek 2 prezentuje znaczenie słowa „czterokwadrantowy” w kontekście napięcia i prądu zasilania. Kwadranty zaprezentowano w układzie współrzędnych, gdzie napięcia przedstawiono na osi X, a prądy na osi Y. Stabilizator czterokwadrantowy pracuje we wszystkich czterech kwadrantach wykresu, co oznacza, że zarówno prądy, jak i napięcia mogą być dodatnie oraz ujemne.

Konwerter DC/DC może więc zarówno oddawać energię do układu, jak i odbierać energię z układu. Innymi słowy, konwerter może działać jako zasilacz lub obciążenie.

Kontroler czterokwadrantowy LT8741

Rys. 3. Uproszczony schemat układu prezentujący topologię czterokwadrantowego konwertera napięcia

Układ scalony LT8714 z oferty Analog Devices to kontroler czterokwadrantowego konwertera napięcia. Oferuje wszystkie funkcje wymagane w tego typu układzie. Jest w stanie np. precyzyjnie stabilizować napięcie 0 V. Rysunek 3 prezentuje uproszczony układ składający się ze scalonego sterownika oraz stopnia mocy. Ta druga część układu zawiera dwie cewki indukcyjne L1 i L2, dwa klucze przełączające Q1 i Q2, a także kondensator sprzęgający Cc. Dokładny opis pracy układu w każdym z czterech kwadrantów, a także zachowanie podczas przechodzenia z jednego kwadrantu do drugiego można znaleźć w dokumentacji układu LT8714 na stronie producenta Analog Devices.

Istnieją aplikacje, w których wymagana jest praca zasilacza we wszystkich czterech kwadrantach. Takie układy można łatwo zbudować w oparciu o LT8714. Schemat układu jest bardzo prosty, pracuje on bezproblemowo i w sposób niezawodny, zwłaszcza w okolicach punktu przejścia przez 0 V.

Istnieją także alternatywy do układów czterokwadrantowych, na przykład niektóre topologie konwerterów impulsowych, które można połączyć równolegle w celu uzyskania możliwości pracy w kilku kwadrantach. Jednakże takie rozwiązania są często droższe w porównaniu do dedykowanego konwertera czterokwadrantowego.