Импульсные стабилизаторы

6.1 Общие замечания.

Общим недостатком компенсационных стабилизаторов напряжения является низкий КПД из-за потерь в транзисторах регулирующего элемента, что, кроме того, требует мощных теплоотводов, значительно превышающих по габаритам и массе сами стабилизаторы. Более прогрессивным техническим решением являются импульсные стабилизаторы напряжения, в которых транзисторы регулирующих элементов работают в ключевом режиме. При использовании высокочастотным транзисторов проблема КПД и массогабаритных характеристик в таких стабилизаторах решается достаточно радикально.

В стабилизаторах с импульсным регулированием регулируемый резистор заменяется ключом, что сводит к минимуму рассеиваемому на нем мощность. Ключ может подключать или отключать нагрузку, тем самым регулируя среднюю мощность, забираемую ею от источника. Для сглаживания пульсаций выходного напряжения, вызываемых коммутацией ключа, в силовую цепь импульсного стабилизатора включают специальный фильтр. Цепь обратной связи стабилизатора управляет интервалами времени, в течении которых ключ закрыт.

Напряжение на нагрузке определяется через напряжение источника и отношения интервалов, в течение которых ключ закрыт и открыт. Таким образом, воздействуя на длительность замыкающих импульсов, можно регулировать напряжение и нагрузки и, следовательно, сохранять постоянным при изменении величины входного напряжения. При замыкании ключа напряжение на входе фильтра равно напряжению первичного ИП, при разомкнутом равно нулю.

Преобразование сигнала ошибки, являющегося, также как и в линейном стабилизаторе, медленно меняющимся постоянным напряжением, в последовательность импульсов, необходимую для управления ключом, производится в цепи обратной связи. В большинстве случаев цепь работает по принципу широтно-импульсной модуляции.

6.2 Понижающий стабилизатор с последовательными ключевым элементом и индуктивностью.

Схема понижающего стабилизатора с последовательными ключевым элементом и индуктивностью представлена на рис. 64

Схема управления потребляет очень малую мощность, поэтому опорное напряжение Uоп может быть получена на стабилитроне, т.к. несмотря на очень малое КПД тот может выдать опорное эталонное напряжение Uоп.

Для сглаживания пульсаций устанавливаем LC -фильтр, но при разрыве цепи на индуктивности должен быть очень большой ток, следовательно, ставим диод.

Учтем, что U=U₀+dU.

Тогда временные диаграммы имеют вид, представленный на рис. 65.

Здесь энергия, отдаваемая источником за длительность импульса:

W_ист=EI_L(T-q)

И энергия, отдаваемая дросселем:

W_др=UI_LT.

Тогда, считая потери на фильтре нулевыми:

U₀=E(T-q)/T.

Видно, что напряжение на нагрузке всегда меньше входного напряжения.

Ключевой режим транзистора имеет свои особенности:

- характеристика как ключа (E_{max переключаемое}/ E_{max остаточное}),

- определенные для рабочей частоты частотные свойства.

Потери могут быть в ключевом элементе (трансформаторе), в диоде. Тем не менее, возможно довести КПД до 95% по силовым элементам (еще есть потери на СУ, на индуктивности) – для уменьшения потерь надо повышать частоту. Однако на высоких частотах у диода и трансформатора возрастают потери. Кроме того, т.к. надо работать на доле периода, то и СУ должно работать значительно быстрее. Т.о. получаем некий оптимум – единицы-десятки кГц.

6.3 Cтабилизатор с параллельными ключевым элементом и индуктивностью.

Существуют и другие модификации схем импульсных стабилизаторов, например представленная на рис. 66.

Энергия, отдаваемая источником за длительность импульса:

W_ист=EI_L(T-q)

Отдаваемая дросселем:

W_др=UI_Lq.

Тогда:

U₀=E(T-q)/q.

На первый взгляд, напряжение может быть сколь угодно большим, однако реально ситуация иная – напряжение сильно зависит от отношения R_н/r_пот:

Реально R_н/r_пот ~ единиц - десятков, тогда и получается, что стремится к некоторому U₀. Заметим, что пульсации напряжения на нагрузке тем меньше, чем меньше длительность паузы q (и больше индуктивность дросселя).

6.4 Импульсный стабилизатор с последовательным дросселем и параллельным ключом (повышающий стабилизатор).

Схема повышающего стабилизатора представлена на рис. 68.

Диаграммы тока и напряжений для этой схемы представлены на рис. 69.

Для данной схемы

W_ист=EI_LT

и

W_др=U I_Lq.

Тогда:

U₀=ET/q.

Очевидно, что напряжение на нагрузке всегда больше входного. Это происходит потому, что на этапе разрядки в нагрузку поступает энергия, накопленная в дросселе, и энергия источника.

По сути дела, данные схемы стабилизаторов являются инверторами с внешним управлением. Однако для создания генераторов напряжения обычно используются инверторы с самовозбуждением.

Казалось бы, при малых интервалах разрядки дросселя напряжение может быть сколь угодно большим. Но, на самом деле, вид характеристик похож на предыдущий случай. Т.е. тоже можем увеличивать лишь в единицы раз (реально в 2-4 раза) при реальных соотношениях R_н/r_пот.