Общим недостатком линейных стабилизаторов в случае существенной флюктуации входного напряжения является низкий КПД и повышенное тепловыделение. Мощные линейные стабилизаторы, обеспечивающие ток нагрузки от нескольких ампер и более, обладают большими массой и габаритами. Для существенной компенсации указанных недостатков применяют импульсные стабилизаторы.
Импульсным стабилизатором напряжения называют устройство, которое поддерживает неизменным напряжение на нагрузке за счет регулирования компонентом, работающим в ключевом режиме. Импульсные стабилизаторы, как и линейные, бывают параллельного и последовательного типов. В качестве ключевого компонента чаще всего используют транзисторы.
Поскольку рабочая точка регулирующего прибора почти все время находится в области насыщения или отсечки, минуя активную область, в транзисторе рассевается мало тепла, а значит, КПД импульсного стабилизатора высок.
Стабилизация реализована путем изменения длительности импульсов или управления частотой их следования. Соответственно, различают широтно-импульсное (ШИ) или частотно-импульсное (ЧИ) регулирование. Иногда импульсные стабилизаторы работают в смешанном широтно-частотно-импульсном режиме (ЧШИ).
В стабилизаторах с ШИ-регулированием частота следования импульсов постоянна, а длительность импульсов непостоянна. В стабилизаторах с ЧИ-регулированием длительность импульсов неизменна, а варьируют частоту.
После регулирующего прибора напряжение имеет импульсную форму, а значит непригодно для непосредственного питания нагрузки. Прежде чем подать напряжение на нагрузку, его необходимо сгладить, для чего на выходе всех импульсных стабилизаторов устанавливают сглаживающие индуктивно-емкостные фильтры. Фильтры могут быть многозвенными, П-образными, Г-образными и других видов.
Усредненное напряжение, приложенное к нагрузке, можно найти по формуле:
где Ти —длительность периода, с;
tи — длительность импульса, с;
Rн — сопротивление нагрузки, Ом;
I(t) — величина тока, протекающего через нагрузку, А.
В зависимости от индуктивности сглаживающего дросселя ток через LС-фильтр может перестать течь к началу очередного импульса (тогда говорят о режиме работы с разрывным током) или продолжать течь, и в этом случае подразумевают режим работы с неразрывным током.
Если нагрузка требовательна к пульсациям напряжения, то предпочитают режим неразрывных токов, мирясь с обычно большими затратами провода обмотки дросселя. Если величина пульсации выходного напряжения несущественна, то целесообразна работа в режиме разрывных токов.
Принцип действия импульсных стабилизаторов напряжения
В общем случае импульсный стабилизатор состоит из импульсного преобразователя, содержащего регулирующий прибор; задающего генератора, управляющего преобразователем; сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсации выходного напряжения, и устройства сравнения, вырабатывающего разностный сигнал между выходным и опорным напряжениями.
Соединение основных блоков отражено на структурной схеме импульсного стабилизатора напряжения, показанной на Figure. 1.
Рис.1. Импульсный стабилизатор напряжения
Выходное напряжение стабилизатора подают на устройство сравнения с образцовым напряжением и на выходе устройства получают сигнал, пропорциональный разности этих напряжений. Разностный сигнал сразу же подают на задающий генератор или вначале увеличивают его усилителем постоянного тока.
При ШИ-регулировании в задающем генераторе аналоговый разностный сигнал преобразуют в импульсы с фиксированной частотой и изменяемой длительностью, а при ЧИ-регулировании длительность импульсов постоянна, а в зависимости от параметров сигнала изменяют частоту генерируемых импульсов.
Выработанные задающим генератором импульсы управления поступают на компоненты преобразователя, регулирующий транзистор которого работает в ключевом режиме. Варьируя частоту или ширину импульсов генератора, можно изменять напряжение на нагрузке. В зависимости от параметров импульсов управления, преобразователь корректирует величину выходного напряжения, стабилизируя его. Теоретически в стабилизаторах с ШИ- и ЧИ-регулированием пульсации напряжения на нагрузке могут полностью отсутствовать.
При релейной стабилизации сигнал, управляющий преобразователем напряжения, вырабатывается триггером. При подаче постоянного напряжения на вход стабилизатора ключевой транзистор преобразователя открыт, и возрастает выходное напряжение. Устройство сравнения вырабатывает разностный сигнал, который, достигая определенного верхнего порога, изменит состояние триггера, и он переключит регулирующий транзистор в состояние отсечки. Выходное напряжение стабилизатора начнет снижаться. При достижении нижнего порога устройство сравнения вырабатывает разностный сигнал, который вновь переключит триггер, и регулирующий транзистор войдет в состояние насыщения. Напряжение на нагрузке стабилизатора начнет возрастать. Таким образом, при релейной стабилизации выходное напряжение постоянно флюктуирует, и его среднее значение соответствует номинальному напряжению. Порог срабатывания триггера устанавливают корректировкой амплитуды напряжения на выходе устройства сравнения.
Релейные стабилизаторы обладают более высоким быстродействием по сравнению со стабилизаторами с ШИ- и ЧИ-регулированием, что является достоинством. Теоретически при релейной стабилизации всегда в выходном напряжении будут присутствовать пульсации, что относят к недостаткам.
Повышающий стабилизатор
Повышающие импульсные стабилизаторы используют совместно с нагрузками, напряжение питания которых больше, чем входное напряжение стабилизаторов. Гальванической развязки нагрузки и питающей сети нет. За рубежом повышающие стабилизаторы носят название “boost converter”. Рассмотрим Figure. 2, на котором изображены основные компоненты такого стабилизатора.
Рис.2. Повышающий стабилизатор
Приложим отпирающее транзистор VT1 напряжение управления между затвором и истоком. Транзистор входит в состояние насыщения, и ток течет по цепи от +Ubx, через накопительный дроссель L1, открытый транзистор VT1, -Ubx. При этом в магнитном поле дросселя L1 накапливается энергия. Ток через нагрузку может обеспечить только разряд конденсатора С1.
Снимем отпирающее напряжение управления с транзистора VT1. Транзистор перейдет в состояние отсечки, на выводах дросселя L1 возникнет напряжение ЭДС самоиндукции, причем оно будет включено последовательно с входным направлением и приложено через диод VD1 к нагрузке. Ток потечет по цепи +Ubx, дроссель L1, диод VD1, нагрузка, -Ubx. В это время магнитное поле дросселя L1 отдает энергию, а конденсатор С1 энергию запасает для поддержания напряжения на нагрузке после того, как транзистор VT1 войдет в насыщение. Дроссель L1 служит только для запасания энергии и не участвует в фильтрации напряжения.
Снова подадим отпирающее напряжение на транзистор VT1, который откроется, и рассмотренный процесс повторится сначала.
Понижающий стабилизатор
Понижающие импульсные стабилизаторы — это мощные и, в то же время, компактные устройства электропитания нечувствительной к наводкам нагрузки постоянным напряжением неизменной величины. Гальваническая развязка между входом и выходом в понижающих импульсных стабилизаторах отсутствует. За рубежом понижающие стабилизаторы называют “chopper”. Выходное напряжение в таких стабилизаторах всегда ниже входного. Включение важнейших компонентов понижающего импульсного стабилизатора показано на Fig. 3.
Рис.3. Понижающий стабилизатор
Приложим напряжение управления между затвором и истоком транзистора VT1. Транзистор войдет в состояние насыщения, и потечет ток по цепи от +Uвх, через сглаживающий дроссель L1, нагрузку, -Uвх. Ток в прямом направлении через диод VD1 не протекает.
Уберем напряжение управления, отпирающее ключевой транзистор, и он войдет в состояние отсечки. ЭДС самоиндукции сглаживающего дросселя L1 будет препятствовать изменению тока. Ток потечет по цепи от дросселя L1, через нагрузку, общий провод, диод VD1, и вернется в дроссель. Конденсатор С1 разряжается и при этом поддерживает выходное напряжение.
Подадим отпирающее напряжение между затвором и истоком ключевого транзистора VT1. Транзистор перейдет в насыщение, и процесс повторится сначала.
Инвертирующий стабилизатор
Инвертирующие импульсные стабилизаторы применяют для питания нагрузок фиксированным напряжением, полярность которого противоположна полярности входного напряжения. Величина выходного напряжения инвертирующего стабилизатора может быть как больше напряжения питающей сети, так и меньше в зависимости от того, как стабилизатор отрегулирован. Гальваническая развязка питающей сети и нагрузки отсутствует. В иностранной литературе инвертирующие импульсные стабилизаторы называют “buck-boost converter”. Выходное напряжение в таких стабилизаторах всегда ниже входного.
Включение основных компонентов инвертирующего стабилизатора изображено на Figure. 4.
Рис.4. Инвертирующий стабилизатор
Приложим напряжение управления, отпирающее транзистор VТ1, между его затвором и истоком. Транзистор открывается, и ток течет по цепи от +Uвх, открытый транзистор VТ1, дроссель L1, -Uвх. В это время магнитное поле дросселя L1 запасает энергию.
Уберем напряжение управления затвор-исток с ключевого транзистора VТ1, который от этого закроется. Ток потечет по цепи от дросселя L1, через нагрузку, диод и снова вернется в дроссель L1. Энергия, запасенная в конденсаторе С1 и в магнитном поле дросселя L1, в это время расходуется на питание нагрузки.
Опять подадим отпирающее транзистор VТ1 напряжение управления между затвором и истоком. Транзистор войдет в насыщение, и цикл повторится.
