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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

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:

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.

Источник