Импульсный стабилизатор напряжения rayvshalashe.ru

Импульсный стабилизатор напряжения

Импульсные стабилизаторы напряжения

В импульсных стабилизаторах (преобразователях) напряжения активный элемент (как правило полевой транзистор) работает в импульсном режиме: регулирующий ключ попеременно то открывается, то закрывается, подавая напряжение питания импульсами на накапливающий энергию элемент. В результате импульсы тока подаются через дроссель (или через трансформатор, в зависимости от топологии конкретного импульсного стабилизатора), который зачастую и выступают элементом, накапливающим, преобразующим, и отдающим энергию в цепь нагрузки.

Импульсы обладают определенными временными параметрами: следуют с определенной частотой и имеют определенную длительность. Данные параметры зависят от величины нагрузки, питаемой в текущий момент от стабилизатора, поскольку именно средний ток дросселя заряжает выходной конденсатор и, по сути, питает подключенную к нему нагрузку.

В структуре импульсного стабилизатора можно выделить три главных функциональных узла: ключ, накопитель энергии и цепь управления. Первые два узла образуют силовую часть, которая вместе с третьей составляет законченный контур преобразования напряжения. Иногда ключ может быть выполнен в одном корпусе с цепью управления.

Итак, работа импульсного преобразователя осуществляется благодаря замыканию и размыканию электронного ключа. Когда ключ замкнут, накопитель энергии (дроссель) подключен к источнику питания и накапливает энергию, а когда разомкнут — накопитель отключается от источника и тут же подключается к цепи нагрузки, тогда энергия отдается в конденсатор фильтра и в нагрузку.

В результате на нагрузке действует определенное среднее значение напряжения, которое зависит от длительности и частоты следования управляющих импульсов. Ток зависит от нагрузки, величина которой не должна превышать допустимый для данного преобразователя предел.

Принцип стабилизации выходного напряжения импульсного преобразователя основан на непрерывном сравнении выходного напряжения с опорным, и в зависимости от рассогласования этих напряжений, схема управления автоматически перестраивает соотношение длительностей открытого и закрытого состояний ключа (изменяет ширину управляющих импульсов посредством широтно-импульсной модуляции — ШИМ) либо изменяет частоту следования данных импульсов, сохраняя их длительность постоянной (посредством частотно-импульсной модуляции — ЧИМ). Значение выходного напряжения обычно измеряется на резистивном делителе.

Допустим, напряжение на выходе под нагрузкой в какой-то момент уменьшилось, стало меньше номинального. В этом случае ШИМ-регулятор автоматически увеличит ширину импульсов, то есть процессы накопления энергии в дросселе станут по длительности больше, и энергии к нагрузке, соответственно, будет передаваться тоже больше. Напряжение на выходе в результате вернется к номиналу.

Если стабилизация работает по принципу ЧИМ, то при уменьшении выходного напряжения под нагрузкой, увеличится частота следования импульсов. В итоге к нагрузке будет передаваться больше порций энергии и напряжение сравняется с требуемым номиналом. Здесь уместным будет сказать, что отношение длительности замкнутого состояния ключа к сумме длительностей замкнутого и разомкнутого его состояний — это так называемый коэффициент заполнения DC – duty cycle.

Вообще импульсные преобразователи бывают с гальванической развязкой и без гальванической развязки. В рамках данной статьи мы рассмотрим базовые схемы без гальванической развязки: повышающий, понижающий и инвертирующий преобразователи. В формулах Vin-входное напряжение, Vout-выходное напряжение, DC-коэффициент заполнения импульсов.

Понижающий преобразователь без гальванической развязки — buck converter или step-down converter

Ключ Т замыкается. При замыкании ключа диод Д заперт, ток через дроссель L и через нагрузку R начинает увеличиваться. Ключ размыкается. При размыкании ключа ток через дроссель и через нагрузку, хотя и уменьшается, но продолжает течь, так как он не может исчезнуть мгновенно, только теперь цепь замкнута не через ключ, а через диод, который открылся.

Ключ снова замыкается. Если за время пока ключ был разомкнут ток через дроссель не успел упасть до нуля, то теперь он опять увеличивается. Итак, через дроссель и через нагрузку все время действует пульсирующий ток (если бы не было конденсатора). Конденсатор сглаживает пульсации, благодаря чему ток нагрузки получается почти постоянным.

Выходное напряжение в преобразователе такого типа всегда меньше входного, которое здесь практически делится между дросселем и нагрузкой. Его теоретическое значение (для идеального преобразователя — без учета потерь на ключе и на диоде) можно найти по следующей формуле:

Повышающий преобразователь без гальванической развязки — boost converter

Ключ Т замкнулся. При замыкании ключа диод Д заперт, ток через дроссель L начинает увеличиваться. Ключ размыкается. Ток через дроссель продолжает течь, но теперь через открытый диод, причем напряжение на дросселе складывается с напряжением источника. Постоянное напряжение на нагрузке R поддерживается конденсатором C.

Ключ замыкается, ток дросселя снова нарастает. Выходное напряжение у преобразователя такого типа всегда больше входного, так как напряжение на дросселе прибавляется к напряжению источника. Теоретическое значение выходного напряжения (для идеального преобразователя) можно найти по формуле:

Инвертирующий преобразователь без гальванической развязки — buck-boost-converter

Ключ Т замкнулся. Дроссель L накапливает энергию, диод Д заперт. Ключ разомкнулся — дроссель отдает энергию в конденсатор С и в нагрузку R. Выходное напряжение здесь имеет отрицательную полярность. Его величина может быть найдена (для идеального случая) по формуле:

В отличие от линейных стабилизаторов, импульсные стабилизаторы обладают более высоким КПД в силу меньшего нагрева активных элементов, и потому требуют радиатор меньшей площади. Типичные недостатки импульсных стабилизаторов — наличие импульсных помех в выходных и входных цепях, а также более длительные переходные процессы.

Принцип работы импульсного стабилизатора напряжения

Импульсный стабилизатор напряжения – это устройство, обладающее высоким коэффициентом полезного действия и незначительно выделяющее тепло. Он может создавать нагрузочный ток в широких пределах и при этом не обладает значительным весом и габаритами.

Общая информация

Что он собой представляет? Стабилизатор может выполнять свой функционал благодаря изменению продолжительности импульсов. Кроме этого доступна функция управления их частотой. Благодаря этому выделяют так называемое широтное регулирование. Еще оно называется частотно-импульсным. Это значит, что устройства работают в комбинированном режиме. На выходе стабилизатора напряжение представлено в виде пульсации. Поэтому оно не подходит для того, чтобы питать потребитель. Прежде чем подавать питание, его необходимо выровнять. Для этой цели используются емкостные фильтры. Для вычисления средней величины напряжения используется четыре параметра:

  • продолжительность периода;
  • сопротивление потребителя;
  • продолжительность импульса;
  • идущий ток по нагрузке (в амперах).

В зависимости от индуктивности он может перестать течь по фильтру до начала следующего импульса. В таком случае говорят о том, что он переменный. Если он и дальше протекает, то ток является постоянным. Если импульсы незначительны, то лучше выбрать переменный. Но при существовании повышенной чувствительности подойдет только постоянный ток (это и оборачивается значительными потерями в проводах и обмотке дросселя).

Строение прибора

Итак, теперь известно, что собой представляет импульсный стабилизатор напряжения. Принцип работы этого устройства связан с его строением. Прибор состоит из:

  • выравнивающего фильтра (он корректирует импульс напряжения на выходе);
  • устройства преобразования;
  • генератора;
  • сравнивающего устройства (оно подает сигналы разности между входом и выходом).

Как осуществляется работа?

Всегда возможна ситуация, когда используется только два элемента: преобразователь и фильтр. Однако стоит учитывать, что на практике длительное функционирование без устройства сравнения и задающего генератора не идет. Причем, два последние используются для корректировки процесса работы. Поэтому работают все четыре составные части. При этом напряжение, что формируется на выходе, передается на сравнивающее устройство. Оно сопоставляет его с базовым значением. Таким образом формируется пропорциональный сигнал. Он передается непосредственно на генератор.

Принципиальная специфика устройства

Рассматривая работу импульсного стабилизатора напряжения особенно следует отметить процесс регулирования. Осуществляется он с помощью генератора. В нем разностный аналоговый сигнал преобразовывается в пульсации, обладающие переменной продолжительностью и постоянной частотой. Но, так происходит не всегда. Если предусмотрена возможность частотно-импульсного регулирования, то их продолжительность является постоянным значением. Работа генератора зависит от свойств передаваемого сигнала. Созданные им импульсы передаются на элементы преобразователя. При этом транзистор регулирования функционирует в режиме ключа. Изменив интервал или частоту импульсов можно поменять нагрузочное напряжение. Все зависит от свойства управляющих импульсов. Если устройство построено на релейном принципе, то стабилизирующий сигнал создается с помощью триггера. Давайте рассмотрим этот вариант более подробно.

Релейный принцип работы

Функционирование импульсного стабилизатора напряжения в данном случае выглядит следующим образом: на транзистор, что выступает в роли ключа, подается постоянное напряжение. Он открывается. Напряжение на выходе повышается. Сравнивающее устройство начинает определять сигнал разности. При достижении определенного верхнего предела меняется состояние триггера. В результате осуществляется коммутация регулирующего транзистора на отсечку. После этого напряжение на выходе будет уменьшаться. В случае, если оно дойдет до нижнего предела, то сравнивающее устройство опять определит сигнал разности, поменяется состояние триггера. Транзистор снова войдет в насыщение. Разность потенциалов начнет повышаться, как и напряжение на выходе. Будет сразу же запущен процесс выравнивания.

Настраивается предел срабатывания для триггера благодаря корректировке амплитуды значений напряжения на используемом сравнивающем устройстве. И так постоянно будет идти замкнутый цикл. Импульсный стабилизатор напряжения тока релейного типа обладает повышенной скоростью, что отличает его от приборов, в которых используется широтное и частотное регулирования. Данный факт является их самым значительным преимуществом. Но такой подход всегда обеспечивает импульсы на выходе прибора. Это недостаток.

Читать еще:  Надежное ограждение на даче: что выбрать?

Что собой представляет импульсный повышающий стабилизатор напряжения?

И где они применяются? Такие устройства жизненно необходимы в случае нагрузок, разница которых больше, нежели напряжение на выходе приборов. Как они работают? В стабилизаторе не предусматривается гальваническая изоляция питания и нагрузки. Первоначально вступает в насыщение транзистор. Затем ток идет по цепи по накопительному дросселю от положительного полюса. При этом копится энергия в магнитном поле. Нагрузочный ток может привести к разряду емкости используемого конденсатора. А что будет, если отключить выключающее напряжение с транзистора? При этом он перейдет в положение отсечки. В результате на дросселе возникнет электродвижущая сила самоиндукции.

Также возникнет последовательная коммутация с напряжением входа и движение в сторону потребителя. Это значит, что ток будет идти по нашей катушке индуктивности (дросселю). В этот момент ее магнитное поле будет выдавать энергию. Следует отметить, что емкость конденсатора будет ее резервировать, чтобы поддерживать напряжение после того, как транзистор войдет в режим насыщения. Следует учитывать, что дроссель необходим для резервной энергии, поэтому в фильтре питания он работать не должен.

Стабилизатор с использованием триггера Шмитта

Это самый простой вариант устройства. Для него характерен наименьший набор компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер, в состав которого входит компаратор. Основной его задачей является сравнение выходной разности потенциалов с максимально допустимым значением. Принцип действия такого устройства заключается в том, что при увеличении напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноль. Это сопровождается размыканием электронного ключа. И в одно время должен разряжаться только дроссель. Когда напряжение на нем будет доходить до наименьшего значения, то осуществляется коммутация на единицу. Ключ замыкается и ток проходит.

Следует отметить, что подобные устройства являются довольно простыми, однако используются они только в отдельных случаях.

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

Это устройство применяется для обслуживания потребителей с постоянным напряжением. Его особенностью является то, что полярность конструкции противоположна направлению разности потенциалов на выходе устройства. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения может показывать значения и выше, и ниже того, что есть в сети питания. Это зависит от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция для сети питания и нагрузки не предусмотрена.

Как же работает такое устройство? Первоначально необходимо подключить управляющую разность потенциалов. Это открывает транзистор между затвором и истоком. Он откроется, и начнет поступать ток от плюса к минусу. При этом дроссель будет резервировать энергию благодаря магнитному полю. При отключении разности потенциалов управления от ключа транзистора он будет закрываться. При этом резервная энергия конденсатора и магнитного поля расходуется для нагрузки.

О преимуществах и недостатках

Отвлечемся от конкретных конструкций, и неважно, что у нас есть: импульсный стабилизатор высокого напряжения или низкого, мы рассмотрим, что же они собой представляют в общих чертах с позиции сильных и слабых сторон. Итак, преимущества:

  • несложно достичь выравнивания;
  • компактные размеры;
  • широкий интервал для стабилизации;
  • высокий коэффициент полезного действия;
  • устойчивость выходного напряжения;
  • плавное подключение.

Увы, не обошлось без недостатков, среди них можно выделить следующие нюансы:

  • сложная конструкция;
  • наличие большого количества специфических компонентов, что негативно сказывается на надежности конструкции;
  • приборы сложно ремонтировать;
  • образовывается много помех для выбора необходимой частоты;
  • часто возникает потребность использовать компенсирующие устройства мощности.

Заключение

При создании конструкции, несмотря на то, что она не самая легкая, можно вносить коррективы. Благо, при наличии опыта это не так уж и сложно. Хочется создать регулируемый импульсный стабилизатор напряжения, который будет работать в различных диапазонах? Это возможно. Но необходимо хорошо подумать над тем, как же это реализовать. Добавить диод, информирующий световым сигналом о работе устройства? Проще простого! Рассмотренные схемы несложно усовершенствовать, достаточно только проявить терпение, усидчивость и понимание того, что следует делать.

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.

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:

Читать еще:  Присоединение лоджии к комнате (фото и видео)

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.

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.

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.
  • 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.

Импульсный стабилизатор напряжения

Преобразование напряжения необходимо для того, чтобы реализовать возможность работы различных устройств от сети переменного тока. Кроме того, питание электронных схем разными величинами напряжения вынуждает выполнять не только превращение переменного электричества в постоянное, но и повышение или понижение разности потенциалов до нужных параметров.

Основы импульсного преобразования

Работа подобных устройств, их ещё называют импульсными стабилизаторами (ИС), основана на ключевой стабилизации. В схеме имеется элемент, который выполняет регулировку выходных параметров за счёт своего запирания-отпирания.

В обычную трансформаторную схему входит трансформатор низкой частоты, имеющий первичную и вторичную обмотку. Импульсное преобразование тоже подразумевает наличие трансформатора, но уже высокочастотного.

Внимание! Высокочастотные импульсные трансформаторы обладают меньшими габаритами, дешевле, но их мощность выше.

Импульсные преобразователи напряжения (ИПН) допускают использование схем трёх типов:

ИПН обладают высоким КПД и малыми габаритами. Они включают в свой состав следующие элементы:

  • блок питания (источник питания);
  • ключ – элемент коммутации;
  • накопитель энергии индуктивной природы – дроссель, катушка;
  • диод блокировки;
  • фильтр выходного напряжения – конденсатор большой емкости.

Фильтр обычно включается параллельно нагрузке.

Принцип работы

Импульсный стабилизатор напряжения использует принцип сравнения опорного напряжения с напряжением на выходе. Схема позволяет регулировать длительность открытия ключа. Входное напряжение от источника питания (ИП) пропускается ключом по сигналу управления заданными частями (импульсами) с учётом того, что средний потенциал (пониженный или повышенный) был стабильным.

Сравнение с линейным стабилизатором

Чтобы сравнить два принципа преобразования, нужно вспомнить, что линейные стабилизаторы (ЛС) – это обычно делитель напряжения. У него нестабильный потенциал подаётся на вход делителя, а стабильный – снимается со второго плеча (нижнего). Принцип стабилизации заключается в постоянном изменении сопротивления верхнего плеча схемы таким образом, чтобы на нижнем оно оставалось стабильным.

К сведению. Когда отношение Uвх/Uвых велико, то КПД линейного стабилизатора очень низкий. Это связано с потерями энергии на регулирующем резисторе. Он греется, оттого часть мощности на входе теряется.

У таких сборок есть свои плюсы, а именно: простота схемы, минимум элементов и неимение помех. По сравнению с линейными, импульсные стабилизаторы (ИС) сложнее, но работают стабильнее при правильно подобранной схеме.

В ИС могут возникать автоколебания, которые приводят к частичной неработоспособности или полному выходу преобразователя из строя. Это происходит в случае, когда импеданс источника Uвх превысит значение импеданса ИС, тогда при снижении Uвх повышается ток на входе.

Функциональные схемы по типу цепи управления

По виду управляющей цепи можно выделить несколько рабочих схем, включающих в себя:

  • триггер Шмитта;
  • ШИМ – широтно-импульсную модуляцию;
  • ЧИМ – частотно-импульсную модуляцию.

Важно! Импульсные стабилизаторы – это устройство с автоматическим регулированием, ориентирующееся на опорное напряжение, которое служит эталонным параметром для схемы регулирования.

С триггером Шмитта

При таком построении схемы стабилизации верхний и нижний пороги срабатывания триггера сравниваются с Uвх. Для этой цели используется компаратор – устройство сравнения. Ключ размыкается в момент, когда выходное напряжение сравняется с напряжением срабатывания триггера (Umax). Энергия, накопившаяся за это время, выдаётся на нагрузку, и Uвых после этого спадает. Как только её величина достигнет Umin (нижнего порога), триггер переключается, замыкая ключ.

Такой способ называется стабилизацией с двухпозиционной регулировкой или релейной. Схемы с триггером Шмитта имеют на выходе устройства напряжения с величиной пульсации, обусловленной разностью порогов срабатывания. Эту пульсацию практически устранить невозможно.

В ИС с триггером Шмитта частотное преобразование зависит от Uвх и Iн (тока нагрузки) и является переменным.

С широтно-импульсной модуляцией

На выходе таких схем получают Uср (среднее), на которое влияют скважность импульсов и Uвх. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой схему сравнения Uвых и Uоп (опорного) путём вычитания и последующего усиления. Результат поступает на модулятор, который подстраивает свои параметры в зависимости от этого результата.

Модулятор изменяет (в сторону увеличения) отношение времени, при котором ключ открыт, к периоду тактового импульса генератора, если Uвых

Внимание! В ИС с ШИМ частотное преобразование не имеет зависимости от Uвх и Iн.

С частотно-импульсной модуляцией

Подобные сборки отличаются тем, что скважность импульсов (частота) напрямую зависит от понижения Uвх или увеличения Iн. При этом длительность отпирающего ключ импульса неизменна. Частота подачи импульсов подчинена сигналу разности Uвых и Uоп. Моностабильный мультивибратор, имеющий управляемую запускающую частоту, может смело справиться с подачей команд на ключ.

Читать еще:  Ламинат для спальни

Основные схемы силовой части

В зависимости от назначения ИС, можно выделить три базовых модели его построения:

Независимо от конструктивного исполнения и назначения ИС, устройствами, использующимися в роли ключа, могут быть:

  • тиристор;
  • транзистор (биполярный или полевой).

Основная задача подобного элемента – отрываться или закрываться по команде, поступающей на управляющий электрод.

Преобразователь с понижением напряжения

Обычно уменьшить величину напряжения необходимо чаще, потому такие ИС более востребованы.

У понижающего стабилизатора напряжения, приведённого на схеме, ключ на полевом транзисторе VT1 откроется при подаче на него управляющего напряжения. Ток от плюсовой клеммы будет поступать на нагрузку через сглаживающий дроссель L1. Включенный параллельно в цепь диод VD1 в данный момент не пропускает ток. После размыкания ключа цепь тока следующая: дроссель L1 – нагрузка – общий провод – диод VD1 – дроссель L1. При этом ток, проходящий через дроссель, не прекратится мгновенно, а будет постепенно уменьшаться.

Важно! У дросселей, имеющих большую индуктивность, он не становится равным нулю до начала следующего открытия ключа. Установка таких элементов нецелесообразна из-за увеличения габаритов и стоимости.

Конденсатор C1 в это время будет разряжаться на нагрузку и поддерживать U вых. Емкость C вместе с индуктивностью L образует фильтр, снижающий размах пульсаций.

Преобразователь с повышением напряжения

В отличие от понижения Uвх, этот тип схем используют для питания цепей нагрузки, которым для работы необходимо напряжение выше, чем у источника.

Компоненты схемы те же самые, но включены иначе. При открытом транзисторе диод закрыт, и на дросселе линейно нарастает ток. При запирании ключа ток начинает двигаться по цепи: плюсовая клемма – дроссель L1 – диод VD1 – нагрузка – минусовая клемма. Конденсатор C1 в это время будет заряжаться. Он будет поддерживать ток на нагрузке во время своего разряда на неё при следующем открытии ключа.

Инвертирующий преобразователь

Подобная сборка также не имеет гальванической развязки между входным и выходным каскадами. В ней совсем иное включение дросселя, конденсатора и нагрузки. Они расположены параллельно.

При открытом ключе VT1 ток протекает по цепи: плюсовая клемма – транзистор – дроссель – минусовая клемма. Дроссель накапливает энергию при содействии магнитного поля. Когда транзистор закрывается, то цепь прохождения тока меняется: дроссель – конденсатор C1 – диод VD1 – дроссель. Энергия дросселя и энергия конденсатора будут полностью отдаваться нагрузке. Амплитуда пульсации целиком зависит от ёмкости C1. В этот момент напряжение на нагрузке не меняется, несмотря на то, что ток через С1 спадает почти до нуля.

Кстати. Выходное напряжение у инвертирующих ИС может отличаться от напряжения источника питания, как в большую, так и в меньшую сторону.

Влияние диода на КПД

Включенный в электрическую цепь диод вызывает на себе падение напряжения от 0,4 до 0,7 В. При токе от нескольких ампер и низком Uвых на элементе происходит потеря мощности, что приводит к снижению КПД. Применяют альтернативный вариант – замену диода на полевой транзистор. Подбирают такой, чтобы в открытом состоянии падение напряжения на нём было минимальным.

Внимание! Можно в схемах вместо диода поставить ещё один ключ, который будет работать в противофазе с основным.

Гальваническая развязка

Чтобы обезопасить человека при эксплуатации ИС, применяют гальваническую развязку. Для этого включают в схему разделительный трансформатор или дроссель с дополнительной обмоткой. На рабочих частотах 20 кГц – 1 МГц они не столь габаритны, как трансформаторы для частоты переменного тока 50 Гц. В управляющих цепях для развязки устанавливают оптроны (оптопары).

Особенности использования

Импульсные стабилизаторы могут использоваться как драйверы для светодиодов и led-ламп. Кроме того, их применяют в различных устройствах, таких как:

  • блоки питания ЖК телеприёмников;
  • оборудование навигации;
  • источники питания для компьютеров и устройств цифровых систем.

Импульсные стабилизаторы используют для зарядных устройств и преобразования переменного тока в постоянное электричество.

Фильтрация импульсных помех

Сильные помехи, издаваемые импульсным стабилизатором напряжения (ИСН) в моменты коммутации ключа (броски тока и напряжения), необходимо подавлять. Для этого требуется применять фильтры и размещать их на входе и выходе.

Входное сопротивление

У ИСН, работающих под нагрузкой, при увеличении Uвх уменьшается ток на входе (Iвх). Это значит его входное сопротивление отрицательно дифференциальное. При подключении ИСН к источникам, у которых внутреннее сопротивление велико, возможна нестабильная работа.

Использование в сетях переменного тока

Для подключения к источнику переменного тока перед ИСН устанавливают выпрямитель и фильтр. Эта зона, где возникает опасность поражения человека током. Элементы, входящие в эту зону, должны быть закрыты от прикосновения или отмечены маркером (графическое и цветовое предупреждение).

Преимущества и недостатки

Все плюсы и минусы для импульсных стабилизаторов можно свести в одну таблицу.

Преимущества ОС-регулирования

Обратная связь при регулировании напряжения в ИС является важной опцией для импульсных стабилизаторов. Она позволяет поддерживать на выходе устройства напряжение стабильной величины, чутко следя за бросками напряжения и тока. В ИСН применяется широкополосная ОС (чем шире интервал частот, тем меньше уровень пульсации в результате).

Доступность на рынке радиодеталей комплектующих для построения ИСН даёт возможность собрать своими руками любую из схем импульсных стабилизаторов. Использование в них готовых стабилизаторов на интегральных микросхемах (ИМС) и ключей на полевых транзисторах делает устройство максимально компактным.

Импульсные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы позволяют теоретически достигнуть коэффициента полезного действия 100%. Это позволяет создавать достаточно мощные стабилизаторы с небольшими габаритами и очень малыми потерями. В реальных устройствах достигается кпд, равный 85 . 95% . В этом смысле импульсные стабилизаторы работают как трансформаторы постоянного тока. Высокий кпд достигается за счет ключевого режима работы регулирующего элемента. В качестве основного недостатка импульсных стабилизаторов следует отметить высокий уровень помех, что делает их непригодными в ряде узлов радиоэлектронных устройств, таких как опорные генераторы, усилители радиочастоты приемников в радиостанциях и сотовых телефонах.

Импульсный стабилизатор осуществляет преобразование напряжения за счет явления самоиндукции в индуктивности накопительного дросселя L1. При этом в зависимости от схемы включения дросселя импульсные стабилизаторы могут понижать или повышать выходное напряжение. Более того! Импульсные стабилизаторы могут изменять полярность постоянного напряжения. В качестве примера на рисунке 1 приведена схема импульсного стабилизатора, понижающая выходное напряжение.


Рисунок 1. Схема понижающего импульсного стабилизатора напряжения

Рассмотрим принцип работы этой схемы. Когда ключ K1 замкнут, ток от источника первичного питания протекает через дроссель L1. При этом он накапливает энергию в магнитном поле. По мере насыщения магнитного потока дросселя, ток, протекающий через него, а значит и ток силового ключа K1 нарастает. Когда он размыкается, ток, протекающий через дроссель, не может мгновенно упасть до нуля за счет самоиндукции и продолжает протекать в нагрузку через открытый диод VD. Индуктивность дросселя должна быть больше критической, чтобы ток в нём не уменьшался до нуля. При этом условии напряжение на нагрузке также не будет иметь провалов и его среднее значение будет равно заданному значению.

Подобным образом работает и импульсный стабилизатор, повышающий входное напряжение. Его схема приведена на рисунке 2.


Рисунок 2. Схема импульсного стабилизатора, повышающего напряжение

В этой схеме, как и в предыдущей схеме импульсного стабилизатора, накопление энергии происходит в дросселе L1. Отличие заключается в том, что в этот момент времени ток на выход устройства не поступает, и нагрузка питается от энергии, запасенной в конденсаторе С1. После размыкания ключа K1, источник питания и дроссель L1 оказываются включенными последовательно. Напряжение, формируемое ими суммируется и через открытый диод VD1 поступает на выход схемы. Таким образом, напряжение на выходе всегда будет больше входного.

При работе данной схемы следует учитывать тот факт, что ток, протекающий через ключ K1 может быть больше тока, протекающего через нагрузку. В результате напряжение, формирующееся на дросселе L1, будет больше напряжения питания. Иными словами, дроссель L1 в схеме, приведенной на рисунке 2, работает как трансформатор напряжения.

Теперь рассмотрим, как работает импульсный стабилизатор, изменяющий полярность входного напряжения. Его схема приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Схема импульсного стабилизатора, инвертирующего напряжение

Метод формирования сигнала управления ключом поясняется эпюрами рис.4.21.


Рисунок 2. Формирование сигнала управления ключом

Если входное напряжение стабилизатора изменяется в пределах , то при ШИМ период остаётся постоянным, изменяется длительность импульса ( tИ ), следовательно, изменяется и коэффициент заполнения

(1)

Поскольку выходное напряжение равно

(2)

  1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
  2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
  4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
  5. Андрей Никитин Ключ внутри: импульсные понижающие DC/DC от STMicroelectronics (compel.ru)

Вместе со статьей «Импульсные стабилизаторы» читают:

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector