Импульсные стабилизаторы

Регулирующий транзистор импульсного стабилизатора напряжения (ИСН) работает в ключевом режиме. Рабочая точка транзистора большую часть периода коммутации находится в области насыщения или в области отсечки, а перемещение в активной области происходит с высокой скоростью только в моменты переключений. В результате средняя мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, значительно меньше, чем при его работе в непрерывном режиме. Поэтому ИСН имеют более высокий КПД, а значит и лучшие массогабаритные показатели за счет уменьшения или исключения радиатора.

Недостатками ИСН являются более сложная схема управления, повышенный уровень пульсаций, наличие значительных высокочастотных электромагнитных помех, худшие динамические характеристики.

Силовая часть ИСН содержит транзисторный ключ, диод, дроссель и конденсатор. В зависимости от способа соединения этих элементов различают три разновидности ИСН: понижающего типа, повышающего типа и инвертирующий.

В ИСН понижающего типа транзисторный ключ VT, дроссель L и нагрузка R _н соединены последовательно (рис. 7.23). При открытом транзисторе в течение времени t _иэнергия от входного источника передается в нагрузку через дроссель L, в котором накапливается избыточная энергия. При закрытом транзисторе в течение времени t _пнакопленная в дросселе энергия через диод VD передается в нагрузку. Период коммутации Т = t _и + t _п. Относительная длительность открытого состояния транзистора называется коэффициентом заполнения: γ = t _и/ Т.

Транзисторный ключпреобразует (модулирует) входное постоянное напряжение U _вхв последовательность импульсов, а сглаживающий фильтр, состоящий из диода VD, дросселя L и конденсатора С,демодулирует их опять в постоянное напряжение. Если считать элементы силовой цепи идеальными, то среднее напряжение на нагрузке U _н = U _вхγ. При изменении входного напряжения или тока в нагрузке схема управления СУ, используя сигнал обратной связи, регулирует величину γ таким образом, чтобы напряжение U _ноставалось стабильным.

В ИСН повышающего типа дроссель включен последовательно с нагрузкой, ключ – параллельно нагрузке (рис. 7.24). Когда регулирующий транзистор открыт, дроссель L оказывается подключенным параллельно источнику питания. Входной ток через дроссель линейно нарастает,запасая в нем энергию. Диод VD при этом отсекает конденсатор С,не позволяя ему разрядиться через открытый транзистор. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С. Когда регулирующий транзистор закрыт, э.д.с. самоиндукции дросселя L суммируется с входным напряжением, и энергия дросселя отдается в нагрузку; при этом выходное напряжение оказывается больше входного напряжения питания U _вх. Схема управления СУ построена таким образом, что при повышении, например, входного напряжения уменьшается длительность открытого состояния регулирующего транзистора на такую величину, что выходное напряжение U _н остается неизменным.

В инвертирующем ИСН дроссель включен параллельно нагрузке, ключ – последовательно с нагрузкой (рис. 7.25). Когда транзистор открыт, ток через дроссель линейно нарастает, запасая энергию, нагрузка при этом питается от конденсатора. При запирании транзистора конденсатор заряжается за счет э.д.с. самоиндукции дросселя, которая имеет знак, противоположный знаку входного напряжения.

Из рассмотренных схем наибольшее применение нашли ИСН понижающего типа. В ИСН двух других типов дроссель не является элементом фильтра, т.е. не участвует в сглаживании выходного напряжения, поэтому уменьшение пульсаций достигается только за счет увеличения емкости конденсатора. Это приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом.

В зависимости от способа управления регулирующим транзистором различают ИСН релейного типа, с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ).

Релейный стабилизатор представляет собой автоматическую систему, в которой регулирующий транзистор переключается из открытого состояния в закрытое и обратно, когда изменяющееся во времени выходное напряжение стабилизатора достигает соответственно порога срабатывания или отпускания релейного элемента, управляющего регулирующим транзистором. Для стабилизаторов данного типа частота переключения регулирующего транзистора в процессе регулирования может изменяться в широких пределах, что относится к недостаткам таких устройств. Однако релейные стабилизаторы имеют значительно более простую по сравнению с другими типами схему управления.

В стабилизаторах с ШИМ частота переключения регулирующего транзистора постоянна. Здесь в процессе регулирования изменяется лишь длительность открытого состояния транзистора. В стабилизаторах с ЧИМ изменяется частота коммутации, а длительность импульса t _иостается постоянной.

Промышленность выпускает широкую номенклатуру интегральных ИСН. Типичными примерами являются микросхемы, разработанные фирмой National Semiconductor и выпускающиеся многими ведущими производителями полупроводниковых компонентов. Так, микросхемы LM2594, LM2594 и LM2594 с выходными токами соответственно 0,5, 1 и 3 А выпускаются на фиксированные выходные напряжения, а также в регулируемом варианте от 1,2 до 37 В. Выпускаются также модели с током до 5 А. Типичный КПД интегральных ИСН составляет 90 – 92%, однако у отдельных моделей достигает 97% за счет использования ключевого МОП-транзистора с весьма малым сопротивлением в открытом состоянии. Все микросхемы имеют встроенную тепловую и токовую защиты. Некоторые модели имеют дополнительные выводы: включения дежурного режима (в этом режиме стабилизатор выключен, потребляемый ток не превышает нескольких мкА), задержки включения, плавного запуска и флага ошибки (логический сигнал выдается, если выходное напряжение стабилизатора составляет менее 95% номинального).

Выпускаются также интегральные преобразователи переменного напряжения в стабилизированное постоянное, которые представляют собой, по сути дела, готовые источники питания. Например, преобразователь HV-2405E фирмы Harris semiconductor (отечественный аналог 1182ЕМ1) осуществляет преобразование переменного напряжения 18 – 264 В в постоянное 5 – 24 В с выходным током до 50 мА. Микросхема HV-2405E состоит из предварительного импульсного стабилизатора, заряжающего внешнюю большую емкость от сети переменного тока до напряжения, на 6 В превышающего заданное выходное напряжение, и выходного линейного стабилизатора. Особенностью источника питания на HV-2405E является гальваническая связь выходного напряжения с сетью.