Импульсный стабилизатор напряжения — принцип работы стабилизатора

Линейные стабилизаторы имеют общий недостаток – это малый КПД и высокое выделение тепла. Мощные приборы, создающие нагрузочный ток в широких пределах имеют значительные габариты и вес. Чтобы компенсировать эти недостатки, разработаны и используются импульсные стабилизаторы.

Устройство, поддерживающее в постоянном виде напряжение на потребителе тока с помощью регулировки электронным элементом, действующим в режиме ключа. Импульсный стабилизатор напряжения, так же как и линейный существует последовательного и параллельного вида. Роль ключа в таких моделях исполняют транзисторы.

Так как действующая точка стабилизирующего устройства практически постоянно расположена в области отсечки или насыщения, проходя активную область, то в транзисторе выделяется немного тепла, следовательно, импульсный стабилизатор имеет высокий КПД.

Стабилизация осуществляется с помощью изменения продолжительности импульсов, а также управления их частотой. Вследствие этого различают частотно-импульсное, а другими словами широтное регулирование. Импульсные стабилизаторы функционируют в комбинированном импульсном режиме.

В устройствах стабилизации с регулированием широтно-импульсным частота импульсов имеет постоянную величину, а продолжительность действия импульсов является непостоянным значением. В приборах с регулированием частотно-импульсным продолжительность импульсов не изменяется, меняют только частоту.

На выходе устройства напряжение представлено в виде пульсаций, соответственно оно не годится для питания потребителя. Перед подачей питания на нагрузку потребителя, его нужно выровнять. Для этого на выходе импульсных стабилизаторов монтируют выравнивающие емкостные фильтры. Они бывают многозвенчатыми, Г-образными и другими.

Средняя величина напряжения, поданная на нагрузку, вычисляется по формуле:

• Ти – продолжительность периода.
• tи – продолжительность импульса.
• Rн – значение сопротивления потребителя, Ом.
• I(t) – значение тока, проходящего по нагрузке, ампер.

Ток может перестать протекать по фильтру к началу следующего импульса, в зависимости от индуктивности. В этом случае идет речь о режиме действия с переменным током. Ток также может дальше протекать, тогда имеют ввиду функционирование с постоянным током.

При повышенной чувствительности нагрузки к импульсам питания, выполняют режим постоянного тока, не смотря со значительными потерями в обмотке дросселя и проводах. Если размер импульсов на выходе прибора незначителен, то рекомендуется функционирование при переменном токе.

Принцип работы

В общем виде импульсный стабилизатор включает в себя импульсный преобразователь с устройством регулировки, генератор, выравнивающий фильтр, снижающий импульсы напряжения на выходе, сравнивающее устройство, подающее сигнал разности входного и выходного напряжения.

Схема основных частей стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Напряжение на выходе прибора поступает на сравнивающее устройство с базовым напряжением. В результате получают пропорциональный сигнал. Его подают на генератор, предварительно усилив его.

При регулировании в генераторе разностный аналоговый сигнал модифицируют в пульсации с постоянной частотой и переменной продолжительностью. При регулировании частотно-импульсном продолжительность импульсов имеет постоянное значение. Она меняет частоту импульсов генератора в зависимости от свойств сигнала.

Образованные генератором управляющие импульсы проходят на элементы преобразователя. Транзистор регулировки действует в режиме ключа. Изменяя частоту или интервал импульсов генератора, есть возможность менять нагрузочное напряжение. Преобразователь модифицирует значение напряжения на выходе в зависимости от свойств управляющих импульсов. По теории в приборах с частотной и широтной регулировкой импульсы напряжения на потребителе могут отсутствовать.

При релейном принципе действия сигнал, который управляется стабилизатором, образуется с помощью триггера. При поступлении постоянного напряжения в прибор транзистор, работающий в качестве ключа, открыт, и повышает напряжение на выходе. сравнивающее устройство определяет сигнал разности, который достигнув некоторого верхнего предела, поменяет состояние триггера, и произойдет коммутация регулирующего транзистора на отсечку.

Напряжение на выходе станет уменьшаться. При падении напряжения до нижнего предела сравнивающее устройство определяет сигнал разности, переключающий снова триггер, и транзистор опять войдет в насыщение. Разность потенциалов на нагрузке прибора станет повышаться. Следовательно, при релейном виде стабилизации напряжение на выходе повышается, тем самым выравнивается. Предел срабатывания триггера настраивают с помощью корректировки амплитуды значения напряжения на сравнивающем устройстве.

Стабилизаторы релейного типа имеют повышенную скорость реакции, в отличие от приборов с частотным и широтным регулированием. Это является их преимуществом. В теории при релейном виде стабилизации на выходе прибора всегда будут импульсы. Это является их недостатком.

Импульсные (ключевые) стабилизаторы напряжения

Рассмотренные выше стабилизаторы работают в непрерывном режиме, т. е. регулирующий элемент (транзистор) действием обратной связи непрерывно изменяет свое внутреннее сопротивление и при этом на нем непрерывно выделяется мощность, которая в общем балансе мощностей является наиболее значительной. Поэтому КПД этих стабилизаторов не превышает 40—60 %.

Намного больше КПД (до 90%) у импульсных или ключевых стабилизаторов напряжения (ИСН), регулирующий элемент которых представляет собой периодически замыкаемый и размыкаемый транзисторный ключ (рисунок 42,a), а стабилизация напряжения достигается управлением длительностью импульсов, подаваемых на регулирующий транзистор.

При изменении длительности управляющих импульсов соответственно меняется длительность импульсов выходно­го напряжения (рисунок 42, б), что определяет изменение среднего значения напряжения на нагрузке. Таким обра­зом, если в схему управления ввести сигнал обратной свя­зи, пропорциональный отклонению среднего значения на­пряжения на нагрузке от заданного, то схема позволит осуществлять стабилизацию выходного напряжения. По­скольку выходное напряжение в данном случае имеет фор­му импульсов, то в отличие от стабилизаторов непрерывно­го действия в ИСН необходим сглаживающий фильтр.

Рисунок 42 — Работа транзистора в ключевом режиме; (а)-схема включения транзистора; б — диаграммы базового тока и выходного напряжения в схеме

Рисунок 43 — Структурная схема импульсного стабилизатора напряжения

Структурная схема ИСН приводится на рисунке 43. Ста­билизатор включает в себя регулирующий элемент и сгла­живающий фильтр, а также схему управления, состоящую из схемы сравнения, усилителя и преобразователя. Схема сравнения и усилительный элемент схемы подобны соответ­ствующим элементам компенсационных стабилизаторов не­прерывного действия, а в качестве преобразователя в дан­ных схемах используются генераторы импульсов, мульти­вибраторы, триггеры, параметры импульсов которых изменяются в зависимости от постоянного сигнала, поступа­ющего с усилителя.

Рисунок 44 – Характеристики транзистора в ключевом режиме

В режиме переключения ра­бочая точка транзистора боль­шую часть периода коммутации находится в двух состояниях: насыщения (транзистор от­крыт) и отсечки (транзистор закрыт), что соответствует кри­вым 1 и 2 характеристики транзистора в ключевом режиме (рисунок 44).рабочими участками являются наклонный участок кривой 1 и пологий участок кривой 2; область между ними называют активной областью работы транзистора.

Важно заметить, что и в состоянии насыщения и в состоянии отсечки мощность, выделяемая в транзисторе, мала, так как либо напряжение, либо ток транзистора весьма велики, зону же активной мощности рабочая точка транзистора проходит с высокой скоростью только в моменты включения, при этом значение средней (за период коммутации) мощности, рассеиваемой на регулирующем транзисторе, намного меньше, чем при его работе в непрерывном режиме. Поэтому ИСН имеют более высокий КПД (до 95%) и лучшие массогабаритные характеристики по сравнению со стабилизаторами с непрерывным регулированием напряжения.

По способу включения регулирующего транзистора и дросселя ИСН можно подразделить на последовательные и параллельные. Рассмотрим варианты соединения элементов силовой части ИСН.

Если источник постоянного тока подключить к нагрузке с помощью периодически замыкаемого и размыкаемого ключа (транзистора), то среднее значение напряжения нагрузке составит

,

где tИ — длительность импульса замкнутого состояния ключа; Т — период коммутации; i(t) —текущее значение тока. При индуктивном характере нагрузки ключа (при шунтировании этой нагрузки диодом) такое устройство можно рассматривать как автотрансформатор постоянного тока. Если параллельно нагрузке подключить конденсатор достаточно большой емкости, то переменная составляющая тока контура будет замыкаться через него, а пульсации напряжения на нагрузке будут незначительны. Это условие может выполняться при трех вариантах соединения силовых элементов, представленных на рисунке 45. Поясним особенности схем.

Схема с последовательным включением транзистора и дросселя (рисунок 45, а) позволяет получить при нагрузке напряжение, равное или меньшее напряжения питания. Схема с последовательным включением транзистора параллельным включением дросселя (рисунок 45,б) позволяет получить напряжение, большее или меньшее напря­жения питания, при этом напряжение на выходе стабилиза­тора инвертируется.

Рисунок 45 — Схемы соединения силовых элементов в импульсных стабили­заторах и зависимости UН /UП от коэффициента импульсного заполнения для этих схем

Схема с параллельным включением транзистора и последовательным включением дросселя (рисунок 45,в) позво­ляет получить напряжение, равное или большее напряже­ния питания.

На рисунке 45,г представлены зависимости напряжения на нагрузке для трёх указанных схем от коэффициента за­полнения импульсов Кз = tИ /T, где tИ /T — относительная длительность импульса. Следует заметить, что напряжение на нагрузке в данном случае дано также в относительных единицах UН /UП, последнее соотношение определяется как коэффициент передачи постоянного напряжения от входа схемы к нагрузке. В заключение необходимо отметить, что известны различные варианты построения силовых цепей транзисторных ИСН, однако все они могут быть сведены к трем, рассмотренным выше.

Импульсные стабилизаторы по способу регулирования подразделяются на стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) и стабилизаторы релейные или двухпозиционные.

Стабилизаторы с ШИМ и ЧИМ

В стабилизаторах с ШИМ в качестве импульсного элемента используется генератор, время импульса или паузы которого изменяются в зависимости от постоянного сигнала, поступающего на вход импульсного элемента с выхода схемы сравнения.

Принцип действия стабилизатора с ШИМ заключается в следующем: постоянное напряжение от выпрямителя или аккумуляторной батареи подается на регулирующий транзистор, а затем через фильтр на выход стабилизатора, выходное напряжение стабилизатора приводится к опорному напряжению, сравнивается с ним, а затем сигнал разности подается на вход устройства, преобразующего сигнал постоянного тока в импульсы определенной длительности, причем последняя изменяется пропорционально сигналу разности между опорным и измеряемым напряжением. С устройства, преобразующего постоянный ток в импульсы сигнал поступает на регулирующий транзистор; последний периодически переключается и среднее значение напряжения на выходе фильтра зависит от соотношения между временем нахождения транзистора в открытом и закрытом состоянии (от ширины импульса — отсюда название данного вида модуляции), причем частота следования импульсов ШИМ постоянна. При изменении напряжения на выходе стабилизатора изменяется сигнал постоянного тока, следовательно, и ширина (длительность) импульса (при постоянном периоде); в результате среднее значение выходного напряжения возвращается к первоначальному значению.

В стабилизаторах с ЧИМ при изменении сигнала на выходе импульсного элемента изменяется длительность паузы, а длительность импульса остается неизменной, причем, в отличие от стабилизаторов с ШИМ, в данных стабилизаторах частота переключения регулирующего транзистора зависит от изменения тока нагрузки и выходного напряжения, а значит, является изменяющейся, непостоянной величиной — отсюда и название данного вида модуляции. Принцип действия таких стабилизаторов аналогичен принципу действия стабилизаторов с ШИМ. Изменение выходного напряжения стабилизатора вызывает изменение паузы, что приводит к изменению частоты импульсов и среднее значение выходного напряжения остается неизменным.

Принцип действия релейных или двухпозиционных стабилизаторов несколько отличается от принципа действия стабилизаторов с ШИМ. В релейных стабилизаторах в качестве импульсного элемента применяется триггер, который в свою очередь управляет регулирующим транзистором. При подаче постоянного напряжения на вход, стабилизато­ра в первый момент регулирующий транзистор открыт и напряжение на выходе стабилизатора увеличивается, при этом соответственно растет сигнал на выходе схемы срав­нения. При определенном значении выходного напряжения сигнал на выходе схемы сравнения достигает значения, при котором триггер срабатывает, закрывая при этом ре­гулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабили­затора начинает уменьшаться, что вызывает уменьшение сигнала на выходе схемы сравнения. При определенном значении сигнала на выходе схемы сравнения триггер вновь срабатывает, открывает регулирующий транзистор и на­пряжение на выходе стабилизатора начинает увеличивать­ся; оно будет расти до тех пор, пока триггер вновь не за­кроет регулирующий транзистор, и, таким образом, процесс повторяется.

Изменение входного напряжения или тока нагрузки стабилизатора приведет к изменению времени открытого состояния регулирующего транзистора и к изменению час­тоты его переключений, а среднее значение выходного на­пряжения будет поддерживаться (с определенной степенью точности) неизменным. Таким образом, как и в стабилиза­торах с ЧИМ, в релейных стабилизаторах частота пере­ключений регулирующего транзистора непостоянна.

В заключение необходимо отметить достоинства и недо­статки описанных стабилизаторов. Пульсации выходного напряжения в стабилизаторах с ШИМ и ЧИМ в принципе могут вообще отсутствовать, так как импульсный элемент управляется постоянной составляющей сигнала схемы уп­равления; в релейных стабилизаторах пульсации выходно­го напряжения принципиально должны иметь место, так как периодическое переключение триггера возможно толь­ко при периодическом изменении выходного напряжения. Одним из основных недостатков стабилизаторов с ШИМ и ЧИМ по сравнению с релейными является их меньшее быстродействие.

Рассмотрим схемы и работу релейного стабилизатора и стабилизатора с ШИМ.

Рисунок 46 — Схема импульсного релейного стабилизатора напряжения (а) и графики напряжений и токов в нем (б)

На рисунке 46, а представлена схема релейного стабили­затора напряжения, который состоит из составного регули­рующего транзистора (VT11, VT12); фильтра (L, СН, VD2); сравнения и усилителя постоянного тока (R1 RP, R2, VDОП, RГ, VTУ); триггера на туннельном диоде VDTГ, транзисторе VТ4 и резисторе R8; промежуточного усилителя VT3, R5, R4, R3); транзистора VT2, предназначенного для запирания регулирующего транзистора; цепочки R9, C1, необходимой для увеличения частоты автоколебаний стабилизатора, а также элементов R6, RЗАП, VD1 СЗАП, необходимой для надежного открытия и запирания регулирующего транзистора.

В данной схеме в качестве импульсного элемента используется триггер на туннельном диоде и транзисторе. В подобных схемах можно использовать триггер на транзисторах (триггер Шмитта), однако применение триггера на туннельном диоде позволяет улучшить фронты управляющих импульсов и уменьшить число элементов.

Принцип действия схемы заключается в следующем. На вход стабилизатора подается постоянное напряжение UВХ В момент времени t0 напряжение на выходе стабилизатора уменьшается до значения, соответствующего срабатыванию триггера VТ4 VDTГ. Триггер срабатывает, и ток коллектора VT4 скачком уменьшается до нуля. При этом закрываются транзисторы VT3 и VT2; транзисторы VT12, VT11 открываются, а конденсатор СЗАП заряжается через резистор R6. Напряжение на входе фильтра (в точках А, Б) скачком увеличивается до напряжения UBХ, диод VD2 закрывается и ток, протекающий по нему, падает до нуля. Ток коллектора регулирующего транзистора VT11, а соответственно и ток дросселя начинают увеличиваться, а напряжение на выходе стабилизатора — уменьшаться, причем оно уменьшается до момента, пока ток, протекающий по дросселю, не станет равным току нагрузки IН; затем напряжение начинает расти. При увеличении выходного напряжения увеличивается положительный потенциал на базе транзистора VTy, при этом ток базы, а следовательно, коллектора VTy увеличиваются.

В момент времени t1 напряжение на выходе стабилизатора становится равным UBЫХ+ UТГ/ (см. рисунок 46, б), а ток коллектора VTy достигает значения тока срабатывания триггера. Триггер срабатывает, и ток коллектора VT4 скачком увеличивается до максимального значения. Транзисторы VT3 и VT2 открываются. Конденсатор СЗАП через транзистор VT2 подключается между базой и эмиттером транзисторов VT12, VT11 и они закрываются. В интервале t1 – t2 ток коллектора транзистора VT11 iK11 равен нулю, а дроссель разряжается через диод VD2. Напряжение на выходе стабилизатора вначале увеличивается (пока ток в дросселе L больше тока нагрузки), а затем начинает уменьшаться.

При уменьшении выходного напряжения уменьшается положительное напряжение на базе транзистора VTy и токи его базы и коллектора уменьшаются. В момент t2 напряжен UВЫХ- на выходе уменьшилось до значения UBЫХ- UТГ/ , а ток коллектора VTy уменьшился до значения тока отпускания триггера. Триггер срабатывает, транзисторы VT4, VТ3, VT2 закрываются, а транзисторы VT12, VT11 открываются. Вновь начинает увеличиваться ток коллектора регулирующего транзистора VT11, а соответственно и ток дросселя L. Таким образом, процесс непрерывно повторяется.

При изменении входного напряжения или тока нагрузки меняется коэффициент заполнения импульсов регулирующего транзистора, а среднее значение выходного напряжения с определенной степенью точности остается неизменным. Как видно из принципа действия схемы, стабилизаторы данного типа работают в режиме устойчивых автоколебаний.

Как указывалось выше, релейным стабилизаторам присущи, в принципе, пульсации выходного напряжения, при этом необходимо отметить, что относительно большая амплитуда этих пульсаций, являясь основным недостатком иных стабилизаторов, ограничивает область их применения. Амплитуда пульсаций выходного напряжения зависит порогов срабатывания триггера, коэффициента усиления усилителя и от значения коэффициента затухания фильтра стабилизатора, причем с уменьшением порогов срабатывания триггера и с увеличением указанных коэффициентов амплитуда пульсаций уменьшается. Однако даже при нулевых порогах срабатывания триггера, бесконечном коэффициенте усиления усилителя и достаточно большом коэффициенте затухания фильтра (причем при больших значениях последнего резко возрастают габаритные размеры стабилизатора) не удается получить малую амплитуду пульсаций. Значительное уменьшение амплитуды пульсаций достигается увеличением частоты автоколебаний стабилизатора при тех же параметрах фильтра, усилителя и триггера.

Повышающий стабилизатор

Импульсные повышающие стабилизаторы применяют вместе с нагрузками, разность потенциалов которых выше, чем напряжение на входе приборов. В стабилизаторе нет гальванической изоляции сети питания и нагрузки. Импортные повышающие стабилизаторы называются boost converter. Основные части такого прибора:

Транзистор вступает в насыщение, и ток проходит по цепи от положительного полюса по накопительному дросселю, транзистору. При этом накапливается энергия в магнитном поле дросселя. Нагрузочный ток может создать только разряд емкости С1.

Отключим выключающее напряжение с транзистора. При этом он вступит в положение отсечки, а следовательно на дросселе появится ЭДС самоиндукции. Оно будет коммутировано последовательно с напряжением входа, и подключено по диоду к потребителю. Ток пойдет по цепи от положительного полюса к дросселю, по диоду и нагрузке.

В этот момент магнитное поле индуктивного дросселя выдает энергию, а емкость С1 резервирует энергию для поддержки напряжения на потребителе после вхождения транзистора в режим насыщения. Дроссель является для резерва энергии и не работает в фильтре питания. При повторной подаче напряжения на транзистор, он откроется, и весь процесс пойдет заново.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения

В компенсационных стабилизаторах с непрерывным регулированием КПД обычно прямопропорционально отношению и поэтому сравнительно не велик, т.е. 50-60%. Импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН) позволяют получить большую выходную мощность ( ) и КПД . В ИСН регулирующий элемент, т.е. транзистор работает в ключевом режиме. В этом состоит их основное отличие от стабилизаторов непрерывного действия. При работе в ключевом режиме рабочая точка транзистора находится либо в области насыщения, либо в области отсечки. А зону активной области рабочая точка приходит с высокой скоростью и только в момент переключения. Напряжение в состоянии отсечки в состоянии насыщения мощность, рассеиваемая транзистором мала, т.к. соответственно малы (0,3 ) и . Полная мощность, рассеиваемая транзистором, включает также коммутационные потери, в момент переключения из состояния отсечки в насыщение и обратно. Следует отметить, что мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе в импульсном режиме на много меньше, чем при его работе в непрерывном режиме. Поэтому, ИНС по сравнению с непрерывными стабилизаторами имеют более высокий КПД и позволяют улучшить массогабаритные показатели. За счет уменьшения габаритов трансформатора и охлаждающих радиаторов для регулирующего транзистора. К недостаткам ИНС относятся: более сложную схему управления, повышенный уровень шумов и пульсаций , а также худшие динамические характеристики. Обобщенная схема ИНС выглядит следующим образом.

Др -дроссель.

СУ- схема управления.

Ф- индуктивно-емкостный сглаживающий фильтр.

Принцип действия ИСН заключается в преобразовании с помощью РЭ постоянного напряжения- в последовательность периодических однополярных импульсов прямоугольной формы. СУ с помощью цепи ООС воздействует на временные параметры импульсов, т.е. на их длительность и частоту следования. Таким образом, чтобы среднее значение было постоянным.

Фильтр служит для преобразования полуученых импульсов в постоя ном напряжении . Когда Т открыт и насыщен и ток дросселя равен току транзистора. При этом и в дросселе накапливается энергия . При запирании Т в дросселе наводится ЭДС самоиндукции. В результате чего открывается диод Д. . В зависимости от способа стабилизации ИСН делятся на три группы:

ИСН с ШИМ (широко-импульсной модуляцией);

ИСН с ЧИМ (частотно-импульсной модуляцией);

ИСН с РСР (релейной системой регулирования).

ИСН с ШИМ. Длительность импульсов на входе фильтра обратно пропорционально значению . При этом частота импульсов постоянна.

ИСН с ЧИМ. Длительность импульсов является постоянной величиной, а интервалы между ними пропорциональны . Частота импульсов обратно пропорциональна .

ИСН с РСР. Формирование импульсов происходит в момент пересечения двух горизонтальных уровней: нижнего при формировании фронта и верхнего при формировании среза (конец импульса). В зависимости от частота и длительность могут изменится в широких пределах. Формированием импульсов может быть триггер Шмита, имеющий два рода срабатываний.

ИСН с ШИН по сравнению с другими типами ИСН имеет следующие преимущества:

1) обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота не зависимо от и . Это означает, что частота пульсации постоянна и имеет существенные значения

2) реальная возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИСН. Это исключает опасность возникновения биения частот при питании нескольких ИСН от общего .

Недостатком ИСН с ШИМ в отличии от ИСН релейного типа является более сложная система управления, обычно содержащая дополнительный задающий генератор.

ИСН с ЧИМ не имея существенных преимуществ перед другими типами ИСН обладает следующим недостатком: сложность схемотехнического осуществления регулирования частоты в широких пределах, особенно при больших изменениях и .

ИСН с РСР имеет преимущества, которое состоит в простой схеме управления.

Схема управления ИСН с ШИМ

В качестве схемы управления (СУ) используют различные устройства, отдавая предпочтения тем, которые выполняются на элементах цифровой техники. Здесь наибольшее применение получил метод, основанный на сравнении с пилообразным напряжением. Нарисуем схему, реализующую данный метод.

К- компаратор.

СС- схема сравнения.

ГПН- генератор первообразного напряжения.

В СС, выполненной на операционном усилителе, стабилизатора сравнивается с , получаемым под ИОН. Аналоговый сигнал ошибки с вывода СС подается на один из входов компаратора, на другой вход которого подается пилообразное напряжение под ГПН. В течении времени превышения аналогового сигнала ошибки под пилообразным напряжением формируется импульсная ШИМ.

Из рис. видно, что частота следования импульсов ШИМ задается пилообразным напряжением, а их длительность задается уровнем сигнала ошибки.

В настоящее время практически всю цепь управления удается выполнить в одном кристалле, как большую микросхему. В ее состав входят: схема с ШИМ, ИОН, схема защиты, схема формирования импульсов для регулирующего транзистора. Например, МС К142 ЕП1 состоит из 5 функциональных узлов: ИОН, усилитель сигналов ОС, схема с ШИМ, усилитель управляющих импульсов, микро мощные силовые транзисторы. При малых токах нагрузки до 50 МС можно использовать, как законченный стабилизатор напряжения. При больших токах МС можно использовать, как схему управления мощными транзисторами ключами ИСН.

ИСН с РСР

В таких ИСН частота и длительность импульсов управления регулирующим транзистором может изменится в широких пределах в зависимости от .

Схема работает следующим образом: транзистор Т может находиться либо в состоянии насыщения, либо в состоянии отсечки. При поступлении Т открыт и насыщен, ток через дроссель Др заряжает конденсатор С. При этом напряжение на конденсаторе С равное , увеличивается до тех пор, пока не превысит на инвертирующем входе ОУ. В этот момент ОУ прекращает питать базу Т, который запирается. Энергия, запасенная в дросселе, служит причиной тока через нагрузку и диод Д. Конденсатор С разряжается и уменьшается. Когда напряжение на инвертирующем входе станет меньше , ОУ снова включает транзисторный ключ и цикл повторяется. колеблется около = . Амплитуда колебаний определяется коэффициентом усиления ОУ и соотношением Для рассмотреной схемы стабилизатора релейного типа можно считать напряжение срабатывания равно напряжению отпускания, т.е. формирование импульсов происходит в моменты пересечения не двух, а одного горизонтального уровня, равного .

Импульсные стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией и релейные стабилизаторы

Работа транзистора в режиме переключения характеризуется быстрым переходом рабочей точки из области отсечки в область насыщения. При этом мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, во много раз меньше, чем при его работе в линейном режиме. Работа регулирующего транзистора в режиме переключе­ния позволяет повысить коэффициент использования самого транзистора, повысить КПД стабилизатора и уменьшить его габариты. Наиболее распространены два типа импульсных стабилизаторов: стабилизаторы с широтно-импульсной модуля­цией и релейные стабилизаторы или стабилизаторы с двухпозиционным ре­гулированием (рис. 5.25).

В стабилизаторах с широтно-импульсной модуляцией в качестве импульсного элемента использует­ся генератор, длительность импульса или паузы которого изменяется в зависимости от постоянного сигнала, поступающего на вход импульсного элемента с вы­хода схемы сравнения. Принцип действия стабилизатора с широтно-импульсной модуляцией заключается в следующем: постоянное напряжение U0 от выпрямителя или от аккумуляторной батареи подается на регулирующий транзистор, а затем через фильтр на выход стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора приво­дится к опорному напряжению, сравнивается с ним, а затем сигнал разности подается на вход устройства, преобразующего сиг­нал постоянного тока в импульсы определенной длительности. Длительность импульсов изменяется пропорционально сигналу раз­ности между опорным и измеряемым напряжениями. С устройства, преобразующего постоянный ток в импульсы, сигнал поступает на регулирующий транзистор.

Регулирующий транзистор периодически переключается, и среднее значение напряжения на выходе фильтра зависит от скважности импульсов. При изменении напряжения на выходе стабили­затора изменяется сигнал постоянного тока, а, следовательно, и скважность импульсов регулирующего транзистора, и среднее значение выходного напряжения возвращается к первоначальному значению.

Принцип действия релейных или двухпозиционных стабилизаторов несколько отличается от принципа действия стабилизаторов с широтно-импульсной модуляцией. В релейных стабилизаторах в качестве импульсного элемента применяется триггер, который, в свою очередь, управляет регулирующим транзистором. При подаче постоянного напряжения на вход стабилизатора, в первый момент, регулирующий транзистор открыт, и напряжение на выходе стаби­лизатора увеличивается. Соответственно растет сигнал на выходе схемы сравнения. При определенной величине выходного, напряжения величина сигнала «а выходе схемы сравнения станет доста­точной для срабатывания триггера. Триггер срабатывает и закрывает регулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабилизатора начинает снижаться, что вызывает уменьшение сигнала на выходе схемы сравнения. При определенной величине сигнала на выходе схемы сравнения триггер вновь срабатывает и открывает регулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабилизатора начинает увеличиваться. Выходное напряжение будет увеличивать­ся до тех пор, пока триггер вновь не закроет регулирующий транзистор. Таким образом, процесс будет повторяться. Изменение входно­го напряжения или тока нагрузки стабилизатора приведет к измене­нию скважности импульсов регулирующего транзистора и к изме­нению частоты его переключения, а среднее значение выходного напряжения будет поддерживаться неизменным с определенной степенью точности.

Стабилизаторы первого и второго типа отличны в следующем.

В стабилизаторах первого типа частота переключения регулирующего транзистора постоянна, в стабилизаторах второго типа ча­стота зависит от изменения тока нагрузки и входного напряже­ния. Пульсация выходного напряжения в стабилизаторах первого типа принципиально может быть равна нулю, так как импульсный элемент управляется постоянной составляющей сигнала схемы сравнения.

Пульсация на выходе стабилизаторов второго типа принципиально не может быть равной нулю, так как периодическое пере­ключение триггера возможно только при периодическом изменении выходного напряжения.

Одним из основных недостатков стабилизаторов первого типа является их малое быстродействие. При питании таких стабилиза­торов от выпрямителя входная пульсация напряжения уменьшается стабилизатором незначительно, и поэтому его фильтр приходится рассчитывать на низкочастотную составляющую пульсации.

Недостатком стабилизаторов второго типа является зависи­мость частоты переключения от изменения напряжения сети и тока нагрузки. Необходимо отметить, что в релейных стабилизаторах можно устранить указанный недостаток. Для этого от внешнего генератора на вход усилителя или непосредственно триггера подается переменный сигнал. Если амплитуда переменного сигнала превышает пороги срабатывания триггера, то при определенных условиях происходит синхронизация стабилизатора и он работает в режиме широтно-импульсной модуляции.

В этом случае при изменении входного напряжения или тока нагрузки частота остается неизменной, а изменяется скважность импульсов регулирующего транзистора.

На рис. 5.26, 5.27 изображены схемы релейных стабилизаторов напряжения. Основное отличие схем заключается в различных режимах работы. Стабилизатор рис. 5.26 работает в обычном режиме, а стабилизатор рис. 5.27 работает в режиме широтно-импульсной модуляции. Рассмотрим более подробно работу этих схем. Стабилизатор рис. 5.26 состоит из составного регулирующего тран­зистора (Т11, Т12); фильтра (L1,Сн , Д2); схемы сравне­ния и усилителя постоянно­го тома (R1, Rн, R2, Д1, Rг1, Tу, Rу); триггера на туннельном диоде Д3 и транзисторе Т4, промежуточного усилителя (Т3, R3, R3); транзистора Т2, предназначенно­го для запирания регулирующего транзистора; цепочки R9, С1, необходимой для увеличения частоты автоко­лебаний стабилизатора и элементов R6, RЗАП, Д4 СЗАП, необходимых для надежного включения и затирания регулирующего транзистора.

В данной схеме в качестве импульсного элемента используется триггер на тун­нельном диоде и транзисторе. Как показано в, в таких схемах можно использовать триггер на тран­зисторах (триггер Шмитта), однако применение тригге­ра на туннельном диоде поз­воляет улучшить фронты управляющих импульсов и уменьшить число элементов.

На рис. 5.28 изображены графики выходного напряжения стабилизатора, токов и напряжений транзистора Т11 и диода Д2 и тока в дросселе Др1.

Рассмотрим принцип действия схемы рис. 5.26. На вход стабилизатора подается постоянное напряжение U0. В момент времени t = 0 напряжение на выходе стабилизатора уменьшается до величи­ны срабатывания триггера (Т4Д3). Триггер срабатывает, и ток коллектора T4 скачком уменьшается до нуля. При этом закрываются транзисторы Т3 и Т2, транзисторы Т12, Т11 открываются, а емкость СЗАП заряжается через сопротивление R6 . Напряжение на входе фильтра (в точках А, Б) скачком увеличивается до напряжения U0, диод Д2 закрывается, и ток IД2 падает до нуля. Ток коллектора регулирующего транзистора Т11, а соответственно и ток дросселя на­чинают увеличиваться. Напряжение на выходе стабилизатора умень­шается до момента, пока ток в дросселе не станет равным току нагрузки Iн, а затем начитает расти. При увели­чении выходного напряжения увеличивается по­ложительный потенциал на базе транзистора Tу. Ток базы, а следовательно, и так коллектора Ту увеличиваются.

В момент времени t1 напряжение на выходе стабилизатора достигает величины Uвых+∆Uтр/α, а ток коллектора Tу достигает величины тока срабатывания триггера. Триггер срабатывает, и ток коллектора Т4 скачком увеличивается до максимального значения.

Транзисторы Т3 и Т2 открываются. Емкость СЗАП через транзистор Т2 подключается между ба­зой и эмиттером транзи­сторов Т12, Т11 и они зак­рываются. В интервале t1- t2 ток коллектора транзистора Т11 равен ну­лю, а дроссель разряжа­ется через диод Д2. Напряжение на выходе стабилизатора вначале увеличивается, пока ток в дросселе Д р1 больше тока нагрузки, и затем начинает уменьшаться.

При уменьшении выходного .напряжения, уменьшается положительное напряжение на базе транзистора Tу и его токи базы и коллектора уменьшаются. В момент t2 напряжение на выходе уменьшилось до величины Uвых-∆Uтр/α, а ток коллектора Tу уменьшился до величины тока отпускания триггера. Триггер сра­батывает, транзисторы Т4, Т3, Т2 закрываются, а транзисторы Т12, Т11 открываются. Вновь начинает увеличиваться ток коллектора регулирующего транзистора Т11, а соответственно и ток дросселя Др1. Таким образом, процесс непрерывно повторяется.

При изменении входного напряжения или тока нагрузки изменяется скважность импульсов регулирующего транзистора, а среднее значение Uвых выходного напряжения остается неизменным с определенной степенью точности.

Как видно из принципа действия схемы, стабилизаторы данно­го типа работают в режиме устойчивых автоколебаний.

Основным недостатком, ограничивающим область применения релейных стабилизаторов, является относительно большая ампли­туда пульсации выходного напряжения. Амплитуда пульсации выходного напряжения зависит от величины порогов срабатывания триггера, коэффициента усиления усилителя и от коэффициента затухания фильтра стабилизатора. Повышение резонансной часто­ты фильтра при постоянных уровнях порогов срабатывания триггера, постоянных значениях коэффициента усиления усилителя и коэффициента затухания фильтра стабилизатора вызывает пропорциональное увеличение частоты автоколебаний, не изменяя вели­чины пульсации выходного напряжения.

Коэффициент затухания фильтра повышается увеличением индуктивности дросселя, при соответствующем уменьшении емкости фильтра (из условия постоянства резонансной частоты фильтра). При больших значениях коэффициента затухания резко возрастают габариты стабилизатора. Однако даже при нулевых порогах срабатывания триггера, бесконечном коэффициенте усиления усилителя и достаточно большом коэффициенте затухания не удается получить малую амплитуду пульсации.

Как известно из теории релейных систем автоматического регулирования, повышение частоты автоколебаний при неизменных параметрах фильтра, фиксированных порогах срабатывания триггера и неизменном коэффициенте усиления усилителя может быть достигнуто введением дополнительных ускоряющих элементов. В качестве такого ускоряющего элемента в данной схеме используется цепочка, состоящая из емкости С1 и сопротивления R9. Значительное увеличение частоты автоколебаний стабилизатора при тех же параметрах фильтра, усилителя и триггера приводит к зна­чительному уменьшению амплитуды пульсации.

Схема стабилизатора рис. 5.27 по составу элементов мало чем отличается от схемы рис. 5.26. Основное отличие заключается в том, что вместо сопротивления RЗАП в схеме установлены диоды Д5. Использование в схеме запирания диодов позволяет ограничить напряжение на емкости СЗАП. Кроме того, при изменении входного напряжения амплитуда напряжения на емкости СЗАП изменяется незначительно. Постоянство амплитуды запирающего напряжения особенно важно, если в качестве регулирующих применяются высокочастотные транзисторы, у которых обратное напряжение база—эмиттер мало и строго ограничено по величине.

В отличие от схемы рис. 5.26, данный стабилизатор работает в режиме широтно-импульсной модуляции. На вход усилителя через разделительный конденсатор от внешнего источника подается пе­ременный сигнал. Форма сигнала может быть пилообразной или синусоидальной.

Рассмотрим принцип действия схемы рис. 5.27 при пилообразном переменном воздействии. На рис. 5.29 изображены графики, поясняющие работу релейного стабилизатора в режиме широтно-импульсной модуляции. На базу усилительного транзистора подаются внешний пилообразный сигнал и постоянное смещение Uсм1 с делителя R1, Rп, R2. В момент t1 напря­жение на базе усилительного транзистора достигает величи­ны, при которой ток коллектора Tу равен току срабатывания триггера. Триггер срабатывает, транзисторы T4, Т3, Т2 от­крываются, а T12, Т11 закрываются. Напряжение на входе фильтра UАВ скачком уменьшается до нуля. В момент времени t2 пилообразное напряжение на базе транзистора Ту уменьшилось до величины, при которой ток коллектора усилительного транзистора стал равен току отпускания триггера. Триггер срабатывает, транзисторы T4, Т3, Т2 закрываются, а T12, Т11 открываются. Напряжение на входе фильтра вновь скачком увеличивается до величины входного напряжения U01. Таким образом, триггер, а соответственно и ре­гулирующий транзистор непрерывно переключаются за счет внешнего переменного сигнала.

Предположим, напряжение на входе стабилизатора увеличилось до величины U02. При этом напряжение смещения на базе усили­тельного транзистора увеличилось до величины Uсм2. Как видно из графиков рис. 5.29, увеличение смещения увеличивает время открытого состояния транзисторов T4, Т3, Т2. Время открытого со­стояния транзистора T12, Т11 при этом уменьшается. Соответствен­но уменьшается длительность импульса на входе фильтра, а сред­нее значение выходного напряжения возвращается к первоначаль­ному значению с определенной степенью точности.

Предыдущая8Следующая

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право…

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот…

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем…

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам…

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Стабилизаторы с триггером Шмитта

Такой вид импульсного устройства имеет свои особенности наименьшим набором компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер. В его состав входит компаратор. Основной задачей компаратора является сравнивание величины выходной разности потенциалов с наибольшим допустимым.

Принцип действия аппарата с триггером Шмитта состоит в том, что при увеличении наибольшего напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноля с размыканием электронного ключа. В одно время разряжается дроссель. Когда напряжение доходит до наименьшего значения, то выполняется коммутация на единицу. Это обеспечивает замыкание ключа и прохождение тока на интергратор.

Такие приборы имеют отличия своей упрощенной схемой, но использовать их можно в особых случаях, так как импульсные стабилизаторы бывают только повышающими и понижающими.

Понижающий стабилизатор

Стабилизаторы импульсного типа, функционирующие с понижением напряжения, являются компактными и мощными приборами питания электрическим током. При этом они имеют низкую чувствительность к наводкам потребителя постоянным напряжением одного значения. Гальваническая изоляция выхода и входа в понижающих устройствах отсутствует. Импортные приборы получили название chopper. Выходное питание в таких устройствах постоянно находится меньше входного напряжения. Схема импульсного стабилизатора понижающего типа изображена на рисунке.

Подключим напряжение для управления истоком и затвором транзистора, который войдет в положение насыщения. По нему будет проходить ток по цепи от положительного полюса по выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении ток по диоду не протекает.

Отключим управляющее напряжение, которое выключает ключевой транзистор. После этого он будет находиться в положении отсечки. ЭДС индукции выравнивающего дросселя будет преграждать путь для изменения тока, который пойдет по цепи через нагрузку от дросселя, по общему проводнику, диод, и опять придет на дроссель. Емкость С1 будет разряжаться и будет удерживать напряжение на выходе.

При подаче отпирающей разницы потенциалов между истоком и затвором транзистора, он перейдет в режим насыщения и вся цепочка вновь повторится.

Что собой представляет понижающий импульсный стабилизатор напряжения?

Устройства этого типа являются мощными и компактными приборами питания. Они обладают низкой чувствительностью к наводкам потребителя, постоянным напряжением одного значения. При этом, гальваническое изолирование входа и выхода практически отсутствует. Выходное питание таких устройств всегда меньше входного напряжения.

Собрать своими руками импульсный стабилизатор напряжения такого типа довольно просто. Если кратко, то принципиальная схема выглядит следующим образом: подключается напряжение, что используется для управления истоком и затвором транзистора. Он должен перейти в положение насыщения. Проходит ток от положительного полюса к выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении он не протекает. При отключении управляющего напряжения выключается ключевой транзистор. После этого он пребывает в положении отсечки. Электродвижущая сила индукции выравнивающего дросселя преграждает путь для изменения тока, идущего по цепи. При этом он проходит через нагрузку, идет по общему проводнику и возвращается на дроссель. В результате понижается уровень напряжения.

Инвертирующий стабилизатор

Импульсные стабилизаторы инвертирующего типа используют для подключения потребителей с постоянным напряжением, полюсность которого имеет противоположное направление полюсности разности потенциалов на выходе устройства. Его значение может быть выше сети питания, и ниже сети, в зависимости от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция сети питания и нагрузки отсутствует. Импортные приборы инвертирующего типа называются buck-boost converter. На выходе таких приборов напряжение всегда ниже.

Подключим управляющую разность потенциалов, которое откроет транзистор между истоком и затвором. Он откроется, и ток пойдет по цепи от плюса по транзистору, дросселю к минусу. При таком процессе дроссель резервирует энергию с помощью своего магнитного поля. Отключим разность потенциалов управления от ключа на транзисторе, он закроется. Ток пойдет от дросселя по нагрузке, диоду, и возвратится в первоначальное положение. Резервная энергия на конденсаторе и магнитном поле будет расходоваться для нагрузки. Снова подадим питание на транзистор к истоку и затвору. Транзистор опять станет насыщаться и процесс повторится.

Преимущества и недостатки

Как и все приборы, модульный импульсный стабилизатор не идеален. Поэтому ему присущи минусы и плюсы. Разберем основные из преимуществ:

• Простое достижение выравнивания.
• Плавное подключение.
• Компактные размеры.
• Устойчивость выходного напряжения.
• Широкий интервал стабилизации.
• Повышенный КПД.

Недостатки прибора:

• Сложная конструкция.
• Много специфических компонентов, снижающих надежность устройства.
• Необходимость в использовании компенсирующих устройств мощности.
• Сложность работ по ремонту.
• Образование большого количества помех частоты.

Допустимая частота

Функционирование импульсного стабилизатора возможно при значительной частоте преобразования. Это является основной отличительной чертой от устройств, имеющих трансформатор сети. Увеличение этого параметра дает возможность получить наименьшие габариты.

Для большинства приборов интервал частот будет равен 20-80 килогерц. Но при выборе ШИМ и ключевых приборов необходимо учесть высокие гармоники токов. Верхняя граница параметра ограничена определенными требованиями, которые предъявляются к радиочастотным приборам.

Простой импульсный стабилизатор напряжения

Импульсный стабилизатор напряжения, схема

Импульсные стабилизаторы напряжения в последнее время становятся достаточно популярными благодаря компактным размерам и сравнительно высокому КПД и ближайшем будущем они полностью вытеснят старые и добрые аналоговые схемы. Сейчас за пару долларов в Китае можно приобрести готовый модуль DC-DC преобразователя, который обеспечивает регулировку выходного напряжения, имеет возможность ограничивать ток и работает в довольно широком диапазоне входных напряжений.

Наиболее популярная микросхема, на которой строятся такие стабилизаторы – LM2596. Максимальное напряжение до 35 вольт, при токе до 3-х ампер. Работает микросхема в импульсном режиме, нагрев на ней не очень сильный при довольно внушительных нагрузках, компактна и стоит копейки.

Добавлением ОУ можно получить и ограничение выходного тока, скажу больше – стабилизацию тока, иными словами – ток будет держаться на уровне заданного не зависимо от напряжения. Такие модули довольно компактны и можно встроить в любую самодельную конструкцию блока питания и зарядного устройства. Подключив на выход цифровой вольтметр мы будем знать какое напряжение на выходе. .

На самой плате имеются подстроечные резисторы для ограничения выходного тока и регулировки напряжения. Диапазон входного напряжения позволит внедрять такой модуль в автомобиль, напрямую подключив к бортовой сети 12 Вольт. Что это нам даст ?

1. 1) Универсальное зарядное устройство с большим током. Можно заряжать любые смартфоны, планшеты, плееры и прочие проигрыватели, навигаторы и портативные охранные системы, притом к устройству можно подключать скажем 2-3 смартфона одновременно и все они будут одинаково хорошо заряжаться.

2. 2) Подключите устройство скажем к адаптеру ноутбука, выставьте на выходе 14-15 Вольт и смело заряжайте аккумулятор! 3 ампера довольно немалый ток для зарядки автомобильного аккумулятора, правда саму плату преобразователя придется установить на небольшой радиатор.

С полезностью платы однозначно нельзя поспорить, да и стоит копейки (не более 2-3 долларов США). Эту же плату можно изготовить в домашних условиях, при наличии определенных компонентов, правда готовый модуль стоит куда дешевле, чем отдельные компоненты.

Сдвоенный операционный усилитель, на первом элементе оу построен узел ограничения тока, на втором – индикация. Сама микросхема с обвязкой, силовой дроссель, который может быть намотан самостоятельно и пара регуляторов. Схема почти не перегревается при малых токах – но маленький теплоотвод не помешает.

Автор; АКА Касьян

← Предыдущая запись

Следующая запись →

Оставить комментарий Отменить ответ