Назначение и области использования

Глава 2. ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Таблица 6

Сравнение импульсных и линейных источников ИВЭП

Силовые части ИСН

Непрерывные стабилизаторы напряжения хотя и используются широко на практике, однако у них есть существенные недостатки: при большом токе нагрузки на регулирующем транзисторе рассеивается большая мощность, что снижает их КПД. Во избежание перегрева транзистор приходится снабжать теплоотводом. В результате увеличиваются габариты источника питания, что не всегда допустимо.

Хотя линейные источники питания имеют много полезных свойств, таких как: простота, низкие выходные пульсации и шум, превосходные значения нестабильности по напряжению и току и быстрое время восстановления, главным их недостатком является невысокая эффективность (низкий КПД).

Импульсные источники питания становятся популярными из-за высо-кой эффективности и высокой удельной мощности. В табл.6 сравниваются некоторые из основных параметров линейных и импульсных источников питания.

Нестабильность по напряжению и току обычно лучше у линейных источников питания, иногда на порядок величины, но в импульсных ИВЭП на выходе часто используют линейные стабилизаторы, улучшающие стабильность выходных напряжений [13].

Пиковые значения выходных пульсаций импульсных источников питания находятся в диапазоне 25...100 мВ, что значительно больше, чем у линейных источников питания. Необходимо заметить, что для импульсных источников питания значения пульсации выходного напряжения нормируют-ся от пика до пика, как показано на рис. 82, в то время как для линейных источников - в среднеквадратичных значениях.

Параметр	Линейные	Импульсные
Нестабильность по входному напряжению, %	0,2...0,05	0,05...0,1
Нестабильность по току нагрузки, %	0,02...0,1	0,1...0,1
Диапазон входных напряжений, %	±10	±20
КПД, %	40...55	60...80
Средняя удельная мощность, Вт/дм3
Выходные пульсации, мВ	0,5...2	25...100
Время восстановления, мкс
Время удержания, мс

Рис. 82

Импульсные источники питания также имеют большую длительность переходных процессов, чем линейные, но имеют немного большее время удержания, что являет-ся очень важным в ком-пьютерных применени-ях.

Наконец импуль-сные источники пита-ния имеют более широ-кий диапазон входных напряжений. Диапазон входных напряжений линейных источников питания обычно не превышает ±10 % от номинального значения, что имеет прямое отношение к КПД (чем больше диапазон входных напряжений тем ниже коэффициент полезного действия). У импульсных источников питания влияние диапазона входного напряжения на КПД очень незначительное или вообще отсутствует. Обычно импульсные ИВЭП применяют при больших изменениях напряжения сети, т.е. когда диапазон входных напряжений составляет ±20 % и более и при больших токах нагрузки.

2.2.1. Схема и принцип действия понижающего ИСН

Стабилизатор напряжения, регулирующее устройство (РУ) которого работает в импульсном режиме, называется импульсным стабилизатором напряжения.

В общем случае принцип действия импульсного стабилизатора напряже-ния можно свести к следующему. Если идеальный ключ SA в электрической цепи на рис.83, а периодически замыкать и размыкать, то напряжение постоянного тока (рис.83, б) будет преобразовано на сопротивлении нагрузки R _нв последовательность периодических однополярных импульсов. Форма напряжения на нагрузке U _нв виде прямоугольников приведена на рис. 83, в.

Среднее значение напряжения U _н.ср (в дальнейшем U _н.) на нагрузке находится известной формулой

а б в Рис. 83

.

Вместо ключа SA на практике обычно используются РУ - мощные полевые, МДП-транзисторы, биполярные транзисторы, транзисторы типа IGBT, работающие в импульсном режиме. Работа регулирующего транзистора в режиме ключа дает возможность получить с его выхода однополярные импульсы прямоугольной формы. На рис. 83, в обозначено: t _и – время импульса или время замкнутого состояния ключа, а в реальных схемах это время открытого состояния транзистора; t _п – время паузы или время разомкнутого состояния ключа, а в реальных схемах это время закрытого состояния транзистора; T – период работы ключа.

Таким образом, среднее значение напряжения на нагрузке связано с напряжением первичного источника следующем соотношением

U _Н = (t _и / T) U _п = К_З U _п,

где К_З = t _и / T – коэффициент заполнения импульсов или относительное время замкнутого состояния ключа. Так как период T связан с частотой переключения f формулой T = 1/ f, то можно представить коэффициент заполнения импульсов в виде К_З = t _и f и, следовательно,

U _Н = t _и f U _п.

В схемах импульсных стабилизаторов напряжения на практике на выходе ключа устанавливают сглаживающие LC фильтры.

Схема импульсного стабилизатора напряжения состоит из силовой части (силового контура) и системы управления. Силовые части ИСН, соответственно на полевом и биполярном транзисторах, (рис. 84, а, б) включают в себя: VT 1–регулирующий транзистор; VD 1– блокирующий диод; L 1 и C 2 – индуктивность дросселя и емкость конденсатора Г-образного пассивного сглаживающего фильтра. Регулирующий транзистор управляется импульсами U _су, вырабатываемыми системой управления (СУ), подключенной параллельно сопротивлению R _н. На вход силовой части ИСН подается напряжение питания U _п, а с нагрузки R _н – снимается напряжение U _н.

Рис. 84 Рис. 85

На рис. 85 показаны временные диаграммы, пояс-няяющие работу силовой части стабилизатора «по-нижающего» ИСН.

В схемах на рис. 84, а, б, чаще всего используемых на практике, РУ и дроссель L 1 включены последовательно относительно нагрузки.

В момент, когда 1 открывается импульсом дли-тельности , на вход фильтра подается напряжение (если прене-бречь потерями в транзис-торе при его насыщении , то ) и через дроссель начинает протекать нарастающий ток . Так как здесь рассматривается уста-новившийся режим (после большого числа открытого и закрытого состояний 1), то к 1 прикладывается напряжение , равное разности между и напряжением на конденса-торе , при этом диод 1 оказывается закрытым под действием обратного напря-жения, равного по величине . Конденсатор C 2 сначала продолжает разряжаться на сопротивление нагрузки при , а затем начинает заряжаться при . В момент за-пирания (рис. 84) транзисто-ра ток, протекавший через L 1, достигает некоторого максимального значения , которому соответствует запасенная в магнитном поле дросселя энергия . Ток в дросселе не может мгновенно снизиться до нуля [5,12].

В интервале паузы , когда транзистор закрыт, магнитный поток, сцепленный с витками обмотки дросселя, снижается до нуля и в обмотке индуктируется эдс , противодействующая уменьшению мдс. Полярность этой эдс противоположна полярной эдс дросселя в интервале , когда транзистор был открыт. Под действием эдс открывается диод VT 1, и энергия дросселя начинает поступать в нагрузку, поэтому ток дросселя снижается до некоторого минимального значения , соответствующего моменту времени, когда VT 1 снова откроется, и т.д. В этом же интервале , конденсатор C 2 сначала продолжает заряжаться при , а затем уже разряжается при . Если при этом ток, протекающий через L 1, не снижается до нуля (т.е. ), то режим работы силовой цепи ИСН называется режимом непрерывного тока дросселя. Если в течение паузы ток , то этот случай работы ИСН именуется режимом прерывистого тока дросселя. Режим непрерывного тока дросселя получается тогда, когда величина индуктивности L 1 дросселя выбирается больше критической , которая соответствует нулевому значению тока в обмотке дросселя в момент, предшествующий открыванию транзистора.

В рассматриваемой схеме среднее значение выходного напряжения будет всегда меньше среднего значения входного напряжения (в схеме ИСН без потерь ). Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения, у которых , называются понижающими.

Выходное напряжение такого ИСН определяется соотношением (без учета потерь силовой части ИСН):

,

где – коэффициент заполнения импульсов; – период коммутации, – время импульса, когда регулирующий транзистор открыт, – соответственновремя паузы, когда VT 1 закрыт.

Ток через катушку за время возрастает со скоростью:

где - напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора VT 1. В течении времени ток в катушке L 1 достигает максимального (пикового) значения:

где – амплитуда пульсации тока дросселя, а также отклонения от средних токов и ; - частота коммутации.

Диод во время закрыт напряжением на эмиттере транзистора.

Если учесть, что напряжение на входе ИСН изменяется, то наибольшее изменение тока через дроссель будет равно:

Это и все сказанное далее справедливо для установившегося режима, и не учитывает наличие конденсатора , а он потребляет дополнительный (помимо нагрузки) ток до тех пор, пока ток через катушку .

Когда же транзистор с помощью U _СУ закрывается, убывающее магнитное поле катушки вследствие самоиндукции изменяет полярность напряжения на ее выводах и она во время становится источником питания нагрузки. Создаваемый ею ток замыкается через открывшийся диод , нагрузку и конденсатор и уменьшается со скоростью:

теперь напряжение на выводах катушки .Все время, пока , ток течет через нагрузку и заряжает конденсатор , после чего конденсатор сам начинает питать нагрузку. Ток спадает по линейному закону вплоть до момента очередного открывания транзистора . После этого весь цикл повторяется.

Среднее значение тока нагрузки ,среднее значение тока во время , среднее значение тока замыкающего диода за время не зависят от , при безразрывном токе дросселя и будут равны:

Индуктивность накопительной катушки рассчитывают исходя из того, что она должна обеспечивать непрерывный выходной ток в течении времени , когда транзистор VT 1 закрыт. Чтобы ток дросселя при закрытом транзисторе не падал до нуля, индуктивность дросселя должна быть выше некоторой критической величины . Последнюю можно найти из неравенства:

Только при запас энергии, накопленной дросселем при заряде, достаточен для подпитки нагрузки в течение всей части периода.

Требуемые напряжение и ток нагрузки устанавливают соответствую-щим выбором отношения , которые рассчитывают по формуле: