Импульсные стабилизаторы напряжения. Функциональные схемы. Принцип работы

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 Сявляются элементами сглаживающего фильтра.

Рисунок 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 Lдостигнет 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_П: T = t_И + t_П.

Среднее значение напряжения на выходе фильтра (на нагрузке) U_ВЫХ = U_ВХ·t_И/T. 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/Tчерез коэффициент заполнения К_Зпричем К_З < 1, тогда напряжение на выходе U_ВЫХ = К_З·U_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_З.

Для получения на выходе напряжения, превышающего входное, применяют так называемые повышающие импульсные 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 U_ВЫХ = U_ВХ/[1-K_З] и будет тем больше, чем больше К_З. 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 Сбудет дозаряжаться, и процессы вновь повторяются. Выходное напряжение полярно-инвертирующего импульсного стабилизатора U_ВЫХ = K_З ·U_ВХ/[1 - K_З]. Из выражения следует, что напряжение на выходе такого ста­билизатора может быть как меньше, так и больше входного напряжения. Оно зависит от коэффициента заполнения.

Напряжение в схемах 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).