Импульсные стабилизаторы

Импульсный стабилизатор напряжения — это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть большую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением, а значит, может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопления им энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.

Разновидности:

По соотношению входного и выходного напряжения:

Понижающие

Повышающие

С произвольным изменением напряжения

Инвертирующие

По типу ключевого элемента:

На полевых транзисторах

На тиристорах

На биполярных транзисторах

Накопителем энергии может быть:

Дроссель

Конденсатор

Аккумулятор

В зависимости от режима работы могут быть стабилизаторы:

на основе широтно-импульсной модуляции

двухпозиционные (или релейные)

Рис. 1 - Функциональная схема импульсного стабилизатора

На рис. 1 изображена функциональная схема импульсного стабилизатора на основе широтно-импульсной модуляции. Входное напряжение Ui через ключ (1) поступает на интегратор (2), условно изображённый как конденсатор. Принцип его работы в том, что он накапливает энергию, подаваемую с ключа и отдаёт её в нагрузку, когда ключ разомкнут. В результате на выходе имеем усреднённое значение напряжения, которое зависит от входного напряжения и скважности импульсов. Это напряжение с помощью операционного усилителя (4) сравнивается с опорным напряжением с эталона (6). Разница между ними поступает на модулятор (3). Модулятор преобразует импульсы генератора (5) в прямоугольные импульсы, скважность которых зависит от разности между опорным и выходным напряжением. Обычно генератор выдаёт треугольные или пилообразные импульсы, которые преобразуются в прямоугольные с помощью порогового элемента с регулируемым порогом срабатывания. Импульсы с выхода модулятора управляют замыканием и размыканием ключа (1).

Рис. 2 – Функциональная схема ключевого стабилизатора

Несколько иначе устроен ключевой стабилизатор напряжения (называемый также релейным или стабилизатором с двухпозиционным регулированием). В нём также входное напряжение поступает через ключевой элемент (1) на накопитель (2), а выходное сравнивается с опорным в ОУ (4). Однако разность между ними подаётся на триггер Шмитта (3). Как только выходное напряжение превышает опорное на определённую величину U1, триггер Шмитта открывается и закрывает ключ (1). Накопитель разряжается, пока напряжение на нём не упадёт ниже некоторой величины U2, после чего ключ снова открывается и процесс повторяется.

Такой стабилизатор проще по конструкции, однако частота замыкания\размыкания ключа в нём непостоянна, что не всегда удобно. Кроме того, при двухпозиционном регулировании возможно использование не всех видов преобразователей: например невозможно использование описанного ниже повышающего преобразователя.

Преобразователи на основе дросселя

Стабилизаторы с ёмкостным накопителем не получили широкого распространения, так как они хорошо работают только при достаточно большом внутреннем сопротивлении первичного источника. Такая ситуация возникает достаточно редко, т.к. внутреннее сопротивление источников питания стараются уменьшить, чтобы была возможность отдачи большей мощности в нагрузку (например, внутреннее сопротивление бытовой сети электроснабжения в жилых помещениях составляет обычно от 0,05 Ом до 1 Ом). При работе от источника с маленьким внутренним сопротивлением в качестве накопителя энергии целесообразно использовать дроссель, либо более сложные комбинации дросселей и конденсаторов.

Преобразователь с понижением напряжения

Кроме ключа S и дросселя L содержит диод D и конденсатор C. Когда ключ S замыкается, ток от источника течёт через дроссель L и нагрузку. ЭДС самоиндукции дросселя приложена обратно напряжению источника тока. В результате напряжение на нагрузке равно разности напряжения источника питания и ЭДС самоиндукции дросселя и ток в нагрузке повышается. При разомкнутом ключе S ток продолжает протекать через дроссель в том же направлении через диод D и нагрузку, а также конденсатор C. ЭДС самоиндукции приложена к нагрузке R через диод D, ток постепенно уменьшается.

Преобразователь с повышением напряжения

В этом преобразователе ключ установлен после дросселя. Когда ключ замкнут, ток от источника протекает через дроссель L, ток через него увеличивается, в нём накапливается энергия. При размыкании ключа ток от источника течёт через дроссель L, диод D и нагрузку. Напряжение источника и ЭДС самоиндукции дросселя приложены в одном направлении и складываются на нагрузке. Ток постепенно уменьшается, дроссель отдаёт энергию в нагрузку. Пока ключ замкнут, нагрузка питается напряжением конденсатора C. Диод D не даёт ему разрядиться через ключ S.

Возможно также совмещение этой схемы с предыдущей, что позволяет произвольно изменять величину выходного напряжения: как повышать, так и понижать. Для этого перед дросселем устанавливаются диод и ключ, как в предыдущей схеме.

Инвертирующий преобразователь

В нём дроссель подключен параллельно источнику и нагрузке. Когда ключ S замкнут, ток от источника течёт через дроссель и быстро растёт. Когда ключ размыкается, ток продолжает течь через нагрузку R и диод D. ЭДС самоиндукции дросселя приложена в обратную сторону, по сравнению с напряжением источника. Поэтому напряжение к нагрузке также приложено в обратном направлении. Когда ключ S замкнут — диод D закрывается, а нагрузка питается зарядом конденсатора C.

Во всех трёх схемах диод D может быть заменён на ключ, замыкаемый в противофазе к основному ключу. Во многих случаях, особенно в низковольтных стабилизаторах, это позволяет увеличить КПД. Такую схему называют синхронным выпрямителем.