Импульсные стабилизаторы напряжения

⇐ ПредыдущаяСтр 17 из 21Следующая ⇒

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 С являются элементами сглаживающего фильтра.

Рис.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 L достигнет 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_G: .

Среднее значение напряжения на выходе фильтра (на нагрузке)

. 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/Iчерез коэффициент заполнения К_зпричем К₃ < 1, тогда напряжение на выходе U_ВЫХ = К₃U_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_э.

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

и будет тем больше, чем больше К₃. 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 С будет дозаряжаться, и процессы вновь повторяются. Выходное напряжение полярно-инвертирующего импульсного стабилизатора

Из выражения следует, что напряжение на выходе такого стабилизатора может быть как меньше, так и больше входного напряжения. Оно зависит от коэффициента заполнения.

Из рассмотренных схем импульсных стабилизаторов следует, что на их выходе можно получить регулируемое стабилизированное напряжение больше или меньше входного как прямой, так и обратной полярности. Напряжение в них 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).

На практике имеется большое разнообразие схем, реализующих тот или иной принцип. Выбор схем управления регулирующим элементом зависит от значений напряжений и токов, а также от ряда других факторов, определяемых в каждом конкретном случае.

В схеме импульсного стабилизатора напряжения (рисунок 5.17, а) ключевым транзистором (ключом S) управляет регулирующий элемент непрерывного действия РИД. Часть выходного напряжения с делителя ДН поступает на вход усилителя постоянного тока УПТ, где сравнивается с опорным напряжением источника ИОН. Сигнал с выхода УПТ подается на регулятор непрерывного действия РНД, который управляет работой импульсного регулирующего элемента S. При воздействии выходного напряжения сигнал на выходе УПТ достигает верхнего порогового значения, срабатывает РИД и выключает регулирующий транзистор S. Напряжение на выходе стабилизатора начинает уменьшаться, так как снижается ток, протекающий через катушку индуктивности i_L. Сигнал на выходе УПТ снижается до нижнего порога срабатывания РИД. На выходе РНД появляется импульс, включающий ключ S. Ток через индуктивность возрастает, увеличивается и напряжение на выходе стабилизатора.

Рис. 5.17. Структурная (а), принципиальная (б) схемы импульсного стабилизатора напряжения

Кроме формирования импульсов управления ключом, РНД осуществляет непрерывную регулировку выходного напряжения. Ток в катушке индуктивности совершает периодические колебания относительно среднего значения с частотой, равной частоте переключения. При замкнутом ключе ток i_Lнарастает, а при разомкнутом уменьшается. Так как РНД управляется по цепи обратной связи, то при увеличении тока i_Lснижается ток i_р. Вследствие этого колебания выходного напряжения, вызванные прерывистым характером регулирования, оказываются в значительной мере скомпенсированными регулятором непрерывного действия.

В схеме импульсного стабилизатора напряжения с дополнительным регулятором непрерывного действия (рисунок 5.17, 6) транзистор VT1(ключ) является импульсным регулирующим элементом. Усилитель УПТ выполнен на транзисторе VTЗ. Выходной делитель R4R5и источник опорного напряжения VD2 выполняют те же функции, что и в стабилизаторах с непрерывным регулированием.

Блокинг-генератор, формирующий импульсы управления ключом, выполнен на транзисторе VT2. Цепь перезаряда конденсатора С через транзистор VТ2 подключена к выходу стабилизатора. Скорость перезаряда конденсатора С определяет скважность импульсов блокинг-генератора. При замкнутом (открытом) положении транзистора VT1часть его базового тока ответвляется в коллекторную цепь транзистора VT1. Значение тока, протекающего через транзистор VТ2, зависит от сигнала, поступающего с выхода УПТ (транзистор VT3). Наряду с формированием импульсов управления для VT1транзистор VT2 играет роль элемента непрерывного действия.

Введение регулятора непрерывного действия в импульсный стабилизатор несколько снижает его к. п. д., так как на транзисторе VГ2 будет дополнительно рассеиваться мощность, равная

где I_P-среднее значение тока через регулирующий элемент (транзистор VT1). Для уменьшения этой составляющей (Р₂) ток Iр целесообразно уменьшить так, чтобы регулятор выполнял свою функцию непрерывного регулирования и в то же время он должен превышать амплитуду переменной составляющей тока дросселя i_L: ,

; .

Оптимальный ток

; .

Тогда минимальная мощность, выделяемая на непрерывном регулирующем элементе,

Для уменьшения этой мощности необходимо стремиться к возможно меньшей разности напряжений U_вх- U_выхи к тому чтобы индуктивность дросселя была как можно большей.

Импульсные стабилизаторы имеют значительные преимущества перед стабилизаторами непрерывного регулирования. В них уменьшается мощность рассеивания на регулирующем транзисторе, снижаются масса и габаритные размеры, значительно повышается к. п. д. Эти стабилизаторы являются наиболее перспективными вторичными источниками питания и находят все более широкое применение.

⇐ Предыдущая 12 13 14 15 161718 19 20 21 Следующая ⇒