Импульсные стабилизаторы напряжения

Основным элементом импульсных стабилизаторов напряжения является регулирующий элемент-транзистор, периодически пере­ключающийся из режима насыщения в режим отсечки. Если тран­зистор работает в таком режиме, то значительно снижается мощность, рассеиваемая на регулирующем элементе, что позволяет значительно повысить к. п. д. стабилизатора. В импульсных ста­билизаторах напряжения стабилизация осуществляется за счет изменения соотношения времени открытого и закрытого состояния регулирующего транзистора. При этом среднее значение выходного напряжения поддерживается неизменным с заданной степенью точности при воздействии дестабилизирующих факторов.

Мощность, выделяемая в нагрузке, определяется входным напряжением, сопротивлением нагрузке и соотношением времени открытого и закрытого состояния регулирующего транзистора. Изменяя это соотношение, можно регулировать мощность, вы­деляемую на нагрузке без значительных потерь на регулирующем элементе. Пульсации выходного напряжения, вызванные замыка­нием и размыканием транзисторного ключа, снижаются сглажи­вающим фильтром, включаемым на выходе.

При этом коэффициент сглаживания пульсаций будет тем больше, чем выще частота пульсаций по отношению к собственной частоте контура.

В функциональной схеме силовой цепи компенсационного ста­билизатора с импульсным регулированием (рисунок 5.16, а) регулирующий элемент условно показан в виде ключа S. Индуктивность L, и конденсатор С являются элементами сглаживающего фильтра.

Рис.5.16. Функциональные схемы силовой цепи понижающего (а), повышающего (в) и полярно-инвертирующего (г) импульсных стабилизаторов напряжения; кривые изменения напряжений (б)

При замыкании ключа S на вход фильтра будет подаваться входное напряжение U_вхв течение времени t_п (рисунок 5.16, б) в виде импульса прямоугольной формы. Через катушку индуктивности потечет линейно возрастающий ток, так как э. д. с. самоиндукции ее будет противодействовать основному потоку, создаваемому вход­ным напряжением. Через нагрузку также потечет ток и будет заряжаться конденсатор С. В момент размыкания ключа S ток через индуктивность L достигнет максимального значения. Напряжение на катушке в этот момент, противодействуя пропаданию основного напряжения, поменяет полярность. Откроется диод VD и через нагрузку во время паузы t_п потечет ток, замыкающийся по цепи L — R_H — VD. При снижении потенциала катушки ниже потенциала заряженного конденсатора С диод закроется, и ток в нагрузке в этом интервале времени будет сохраняться за счет разряда конденсатора.

Время разомкнутого состояния ключа t_Пможно подобрать таким, чтобы ток через катушку индуктивности не достигал нулевого значения. При следующем замыкании ключа процесс будет повторяться. Период следования равен сумме длительности импульсов t_И и пауз t_G: .

Среднее значение напряжения на выходе фильтра (на нагрузке)

. Из этого выражения следует, что при постоянных значениях напряжения U_вх и периода следования Т напряжение на выходе стабилизатора U_вых будет пропорциональ­но длительности импульса t_и. Обозначим отношение t_и/Iчерез коэффициент заполнения К_зпричем К₃ < 1, тогда напряжение на выходе U_ВЫХ = К₃U_ВХ.

Очевидно, среднее значение выходного напряжения в такой схеме импульсного стабилизатора всегда меньше среднего значения входного напряжения. Такие стабилизаторы называются понижаю­щими. Постоянство напряжения на выходе понижающих импульс­ных стабилизаторов обеспечивается изменением коэффициента заполнения К_э.

Для получения на выходе напряжения, превышающего входное, применяют так называемые повышающиеимпульсные стабилиза­торы. В схеме (рисунок 5.16, в) использованы те же элементы, что и в схеме (см. рисунок 5.16, а), но изменена схема включения ключа и диода VD.

При подаче входного напряжения (ключ S разомкнут) ток потечет через катушку индуктивности L, диод VD и резистор R_H.. Конденсатор С в это время будет заряжаться. При замыкании ключа S увеличится ток через индуктивность L. Диод VDзакрыт, так как к нему будет приложено обратное напряжение заряженного конденсатора С, которое приложено и к нагрузке R_H. Конденсатор разряжается на резистор R_н, обеспечивая протекание тока через него в течение времени t_и. При размыкании ключа S входное напряжение через индуктивность L, прикладываемое к диоду VD, открывает его и суммируется с остаточным напряжением разряжаемого конден­сатора. Это суммарное напряжение будет приложено к нагрузке R_Hв течение времени t_п. В установившемся режиме конденсатор никогда полностью не разряжается. Следовательно, напряжение на нагрузке (на выходе стабилизатора) всегда будет выше входного напряжения

и будет тем больше, чем больше К₃. Индуктивность в этом стабилизаторе не участвует в сглажи­вании пульсации на нагрузке.

С помощью схемы (рисунок 5.16, г) полярно-инвертирующего импульсного стабилизатора на его выходе обеспечивается напря­жение обратной полярности по отношению к входному напря­жению. При включении входного напряжения (ключ S замкнут), что соответствует интервалу времени t_и, через катушку индуктивности L будет протекать ток. Диод VD закрыт, так как к нему приложено входное напряжение обратной полярности.

При размыкании ключа S, когда входной источник отключается, напряжение на катушке индуктивности за счет э. д. с. самоиндукции меняет полярность на обратную и открывается диод VD. За счет энергии, запасенной катушкой индуктивности, питается нагрузка R_H. Одновременно с этим заряжается конденсатор С. Следовательно, постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, имеет полярность, обратную приложенному входному напряжению U_вх. Во время следующего замыкания ключа закрывается диод VD Под воз­действием напряжения U_вх катушка индуктивности вновь получает энергию от входного источника. В этот интервал времени нагрузка питается от медленно разряжающегося конденсатора С. В даль­нейшем при размыкании ключа конденсатор С будет дозаряжаться, и процессы вновь повторяются. Выходное напряжение полярно-инвертирующего импульсного стабилизатора

.

Из выражения следует, что напряжение на выходе такого ста­билизатора может быть как меньше, так и больше входного напряжения. Оно зависит от коэффициента заполнения.

Из рассмотренных схем импульсных стабилизаторов следует, что на их выходе можно получить регулируемое стабилизированное напряжение больше или меньше входного как прямой, так и обратной полярности. Напряжение в них стабилизируется без применения крупногабаритных элементов, в частности трансфор­маторов. В импульсных стабилизаторах напряжения ключом (тран­зистором) управляют с помощью цепи обратной связи, которая изменяет длительность импульсов или пауз в соответствии с отклонением выходного напряжения от заданного, т.е. цепь об­ратной связи преобразует непрерывный сигнал (отклонение вы­ходного напряжения) в импульсный (дискретный). Это преобразование непрерывного сигнала в дискретный называется кван­тованием.

Таким образом, сигнал, подаваемый на базу регулирующего транзистора, изменяется дискретно в фиксированные моменты времени, определяемые периодом повторения импульсного сигнала. Если на базу транзистора подается импульсный сигнал с постоян­ной частотой повторения, а длительность импульса изменяется в зависимости от изменения выходного напряжения, такое уп­равление называется широтно-импулъсным. Преобразователь не­прерывного сигнала в дискретный называется широтно-импулъсным модулятором(ШИМ). Преобразование, в котором длительность импульса постоянна, а изменяется частота и, следовательно, дли­тельность паузы, называется частотно-импульсным. Сам преоб­разователь при этом называется частотно-импульсным модуля­тором (ЧИМ).

На практике имеется большое разнообразие схем, реализующих тот или иной принцип. Выбор схем управления регулирующим элементом зависит от значений напряжений и токов, а также от ряда других факторов, определяемых в каждом конкретном случае.

В схеме импульсного стабилизатора напряжения (рисунок 5.17, а) ключевым транзистором (ключом S) управляет регулирующий элемент непрерывного действия РИД. Часть выходного напряжения с делителя ДН поступает на вход усилителя постоянного тока УПТ, где сравнивается с опорным напряжением источника ИОН. Сигнал с выхода УПТ подается на регулятор непрерывного действия РНД, который управляет работой импульсного регулирующего элемента S. При воздействии выходного напряжения сигнал на выходе УПТ достигает верхнего порогового значения, срабатывает РИД и выключает регулирующий транзистор S. Напряжение на выходе стабилизатора начинает уменьшаться, так как снижается ток, протекающий через катушку индуктивности i_L. Сигнал на выходе УПТ снижается до нижнего порога срабатывания РИД. На выходе РНД появляется импульс, включающий ключ S. Ток через индуктивность возрастает, увеличивается и напряжение на выходе стабилизатора.

Рис. 5.17. Структурная (а), принципиальная (б) схемы импульсного стабилизатора напряжения

Кроме формирования импульсов управления ключом, РНД осуществляет непрерывную регулировку выходного напряжения. Ток в катушке индуктивности совершает периодические колебания относительно среднего значения с частотой, равной частоте переключения. При замкнутом ключе ток i_Lнарастает, а при разомкнутом уменьшается. Так как РНД управляется по цепи обратной связи, то при увеличении тока i_Lснижается ток i_р. Вследствие этого колебания выходного напряжения, вызванные прерывистым характером регулирования, оказываются в значи­тельной мере скомпенсированными регулятором непрерывного действия.

В схеме импульсного стабилизатора напряжения с дополни­тельным регулятором непрерывного действия (рисунок 5.17, 6) тран­зистор VT1(ключ) является импульсным регулирующим элементом. Усилитель УПТ выполнен на транзисторе VTЗ. Выходной делитель R4R5и источник опорного напряжения VD2 выполняют те же функции, что и в стабилизаторах с непрерывным регулированием.

Блокинг-генератор, формирующий импульсы управления клю­чом, выполнен на транзисторе VT2. Цепь перезаряда конденсатора С через транзистор VТ2 подключена к выходу стабилизатора. Скорость перезаряда конденсатора С определяет скважность им­пульсов блокинг-генератора. При замкнутом (открытом) положе­нии транзистора VT1часть его базового тока ответвляется в коллек­торную цепь транзистора VT1. Значение тока, протекающего через транзистор VТ2, зависит от сигнала, поступающего с выхода УПТ (транзистор VT3). Наряду с формированием импульсов управления для VT1транзистор VT2 играет роль элемента непрерывного дейст­вия.

Введение регулятора непрерывного действия в импульсный стабилизатор несколько снижает его к. п. д., так как на транзисторе VГ2 будет дополнительно рассеиваться мощность, равная

где I_P-среднее значение тока через регулирующий элемент (транзистор VT1). Для уменьшения этой составляющей (Р₂) ток Iр целесообразно уменьшить так, чтобы регулятор выполнял свою функцию непрерывного регулирования и в то же время он должен превышать амплитуду переменной составляющей тока дросселя i_L: ,

; .

Оптимальный ток

; .

Тогда минимальная мощность, выделяемая на непрерывном регулирующем элементе,

.

Для уменьше­ния этой мощности необходимо стремиться к возможно меньшей разности напряжений U_вх - U_выхи к тому чтобы индуктивность дросселя была как можно большей.

Импульсные стабилизаторы имеют значительные преимущества перед стабилизаторами непрерывного регулирования. В них умень­шается мощность рассеивания на регулирующем транзисторе, снижаются масса и габаритные размеры, значительно повышается к. п. д. Эти стабилизаторы являются наиболее перспективными вторичными источниками питания и находят все более широкое применение.