Схема мощного импульсного стабилизатора тока

ГЛАВА 7 Комбинированный импульсный стабилизатор напряжения со связью по входному напряжению. Функциональная и принципиальная схемы стабилизатора

Вячеслав Грязнов 4 лет назад Просмотров:

1 ГЛАВА 7 Комбинированный импульсный стабилизатор напряжения со связью по входному напряжению. Функциональная и принципиальная схемы стабилизатора В главе 7 предложены функциональная схема комбинированного импульсного стабилизатора напряжения со связью по входному напряжению и вариант его принципиальной схемы. Рассмотрен принцип работы комбинированного стабилизатора и показана возможность повышения точности стабилизации напряжения при изменении входного напряжения с помощью разомкнутой компенсационной связи по входному напряжению. В главах 5 и 6 показано, что импульсному стабилизатору напряжения с принципом управления по отклонению присущи значительные напряжения рассогласования, вызываемые отклонением входного напряжения от номинального значения. Возникновение напряжения рассогласования импульсного стабилизатора напряжения объясняется тем, что он построен на основании принципа управления по отклонению, которому свойственно противоречие между условиями повышения точности стабилизации напряжения и устойчивости. В этой главе повышение точности стабилизации достигается путем построения комбинированного импульсного стабилизатора со связью по входному напряжению [29]. Возможность повышения точности стабилизации путем построения комбинированного импульсного стабилизатора со связью по входному напряжению объясняется тем, что в комбинированном стабилизаторе указанное противоречие отсутствует. 87

2 7.1. Функциональная схема комбинированного импульсного стабилизатора напряжения с компенсационной связью по входному напряжению Для уменьшения напряжений рассогласования, вызываемых изменением входного напряжения (повышения точности стабилизации), вводится в стабилизатор компенсационная разомкнутая связь по входному напряжению, реализующая принцип управления по возмущению, т.е. строится комбинированный импульсный стабилизатор напряжения. Функциональная схема комбинированного импульсного стабилизатора напряжения с компенсационной связью по входному напряжению изображена на рис Ф РЭ ВЫХ Н К У C2 4 У1 У1 C1 1 ЭС1 2 ОС ИЭ1 УСТ ИЭ2 ИЭ2 ГПН ШИМ У2 У2 ЭС2 ЭС 2 3 ОП ИОН Рис Функциональная схема комбинированного импульсного стабилизатора напряжения с компенсационной связью по входному напряжению Компенсационная связь состоит из измерительного элемента ИЭ2, источника опорного напряжения ИОН, входящего также в замкнутую часть стабилизатора, элемента сравнения ЭС2, усилителя У2 и сумматора С2. Другие элементы входят в замкнутую 88

3 часть стабилизатора с обратной связью с принципом управления по отклонению, рассмотренную в главах 5 и 6. С помощью измерительного элемента ИЭ2 измеряется входное напряжение стабилизатора: β. (7.1) ИЭ2 1 Подставив в уравнение (7.1) значение Δ, (7.2) Н где Н номинальное значение входного напряжения; Δ отклонение входного напряжения от номинального значения, получим β ( Δ ) Δ, (7.3) ИЭ2 1 Н Н И И где Н И β1 Н номинальное значение измеренного напряжения; Δ И β1 Δ измеренное напряжение, пропорциональное отклонению Δ входного напряжения от номинального значения Н. Измеренное напряжение ИЭ2 с выхода ИЭ2 поступает на элемент сравнения ЭС2, на выходе которого возникает разностное напряжение. (7.4) ЭС2 ИЭ2 ОП Путем выбора коэффициента β 1 измерительного элемента ИЭ2 обеспечивается равенство номинальной составляющей измеренного входного и опорного напряжений: Н И ОП. (7.5) При этом коэффициент β 1 должен быть равен β1 ОП. Н Подставляя в уравнение (7.4) значение 2 ИЭ из (7.3) и учитывая (7.5), получаем 89

4 90 ЭС2 Н И Δ И ОП Δ И, (7.6) т.е. на выходе элемента сравнения ЭС2 возникает напряжение Δ И, пропорциональное Δ. Напряжение Δ усиливается усилителем напряжения И У2. Усиленное напряжение У 2 с выхода У2, т.е. с выхода компенсационной связи, подается на сумматор С2, где складывается с напряжением управления У1 замкнутой части стабилизатора. Напряжение на выходе сумматора С2 равно У У1 У 2, т.е. управляющее напряжение У, поступающее на компаратор К ШИМ в комбинированном стабилизаторе, формируется из напряжения рассогласования Δ замкнутой части стабилизатора (напряжения У1 ) и непосредственно из отклонения Δ входного напряжения (напряжения У 2 ). Если в стабилизаторе с принципом управления по отклонению (см. главы 5 и 6), например, при Н, уменьшение длительности t И импульсов напряжения на выходе регулирующего элемента РЭ и уменьшения напряжения РЭ СР достигается только за счет напряжения рассогласования Δ (напряжения У1 ) (см. рис. 5.3), то в комбинированном стабилизаторе уменьшение t И и РЭ СР достигается не только за счет Δ, но также благодаря напряжению У 2 на выходе разомкнутой связи по входному напряжению. Увеличивая У 2 путем повышения коэффициента усиления усилителя У2, можно добиться необходимого уменьшения (в общем случае необходимого изменения) длительности t И импульсов напряжения только с помощью напряжения У 2, когда выходное напряжение стабилизатора принимает номинальное значение, а напряжение рассогласования становится равным нулю ( Δ 0). В комбинированном стабилизаторе при изменении по какому-либо закону Δ на вход компаратора К ШИМ непосред-

5 ственно подается усиленное до У 2 усилителем У2 компенсационной связи изменяющееся напряжение Δ, благодаря чему соответствующим образом (по закону изменения Δ ) изменяется длительность t И импульсов напряжения на выходе регулирующего элемента РЭ, а следовательно, уменьшается или полностью устраняется напряжение рассогласования. Таким образом, в комбинированном стабилизаторе отклонение входного напряжения Δ через разомкнутую компенсационную связь непосредственно соответствующим образом изменяет длительность t И импульсов напряжения РЭ на выходе регулирующего элемента, обеспечивая уменьшение или устранение напряжения рассогласования Δ, вызываемого отклонением Δ входного напряжения не только при его изменении по ступенчатому, но и по более сложному закону Принципиальная схема комбинированного импульсного стабилизатора напряжения со связью по входному напряжению Вариант принципиальной схемы комбинированного импульсного стабилизатора напряжения с разомкнутой связью по входноому напряжению показан на рис Принципиальная схема комбинированного импульсного стабилизатора напряжения (рис. 7.2) отличается от схемы традиционного стабилизатора с принципом управления по отклонению (см. рис. 5.4) наличием разомкнутой связи по основному возмущающему воздействию отклонению Δ входного напряжения от номинального значения H. Измерительный элемент ИЭ2 этой связи (рис. 7.2) состоит из делителя напряжения, состоящего из резисторов R1 R12. Напряжение ИЭ2, снимаемое с резистора R12 и части резистора R11, пропорционально входному напряжению β или, согласно (7.3), ИЭ2 β 1( Н И Δ И ). ИЭ2 1 91

6 + R11 VT1 R10 L1 R1 DA1 _ + R2 Г R3 VT2 R4 R13 VT4 R5 A VT3 3 R6 R7 R8 ВЫХ R12 VD1 C1 ГПН ОП R9 VD2 ОC Рис Принципиальная схема (вариант) комбинированного импульсного стабилизатора напряжения со связью по входному напряжению Измеренное напряжение ИЭ2 подается на базу транзистора VT4, а на его эмиттер опорное напряжение ОП со стабилитрона VD2. Благодаря подаче напряжения ИЭ2 на базу, а напряжения на эмиттер транзистора VT4, между базой и эмиттером ОП прикладывается разностное напряжение БЭ4 ИЭ2 ОП Δ, т.е выполняется функция Н И ОП И ИЭ2 элемента сравнения ЭС2 (рис. 7.1). Как отмечалось, если принять согласно уравнению (7.5), то 4 Δ. Однако транзистор работает H И ОП БЭ И при положительном потециале базы относительно эмиттера, т.е. при БЭ4 0, поэтому при выполнении условия H И ОП транзистор VT4 будет закрываться при уменьшении входного напряжения, так как в этом случае БЭ4 Δ И 0 и разомкну- _ тая связь по входному напряжению из работы стабилизатора исключается. Для устранения этого явления необходимо выбирать. Если обозначить максимально возможное откло- Н И ОП 92

7 нение входного напряжения от Н в сторону уменьшения через Δ, то можно выполнить условие MAX β Δ. Н И 1 MAX ОП В этом случае БЭ4 Н И ОП Δ И УСТ 2 Δ И, где УСТ 2 Н И ОП напряжение второй уставки. В результате совместного влияния напряжений уставок УСТ1 и УСТ 2 образуется результирующее напряжение уставки, с помощью которой устанавливаются номинальная длительность импульсов напряжения на выходе регулирующего элемента, а также номинальное напряжение на выходе стабилизатора при отсутствии дестабилизирующих факторов, а именно при Н, IH IHН (где I H ток нагрузки). Напряжение уставки УСТ1 при введении связи по должно быть соответствующим образом уменьшено. Напряжение БЭ4 усиливается транзистором VT4, выполняющим функцию усилителя У2 на функциональной схеме стабилизатора (рис. 7.1). Резистор R5 является общей коллекторной нагрузкой транзистора VT3, входящего в обратную связь стабилизатора, и транзистора VT4 разомкнутой связи. Через R5 проходят коллекторные токи I K 3 и I K 4 этих транзисторов. Поэтому напряжение A в точке А (на коллекторе транзистора VT3) равно сумме напряжений ‘ ‘ ‘ ‘ A У1 У2, где У1, У2 напряжения замкнутой части и разомкнутой связи стабилизатора соответственно. Поэтому параллельное соединение транзисторов VT3 и VT4 с общей коллекторной нагрузкой R5 выполняет функцию сумматора С2, изображенного на функциональной схеме стабилизатора (рис. 7.1). Суммарное напряжение через резистор R4 поступает на базу усилительного транзистора VT2. Усиленное напряжение равное сумме напряжений A У У1 У 2, У, (7.7) 93

8 которое является напряжением управления, через резистор R2 подается на инвертирующий вход операционного усилителя DA1 (компаратора). На неинвертирующий вход операционного усилителя DA1 подается с генератора пилообразного напряжения ГПН пилообразное напряжение Г. Из уравнения (7.7) видно, что в комбинированном стабилизаторе управляющее напряжение У, поступающее на операционный усилитель DA1, равно сумме напряжений У1 (формируемой из напряжения рассогласования Δ и уставки УCT1 ) замкнутой части стабилизатора и напряжения У 2 разомкнутой связи, пропорционального отклонению Δ входного напряжения, а не только напряжению У1, как в стабилизаторе с принципом управления по отклонению (рис. 5.4). При поступлении на инвертирующий вход компаратора (операционного усилителя DA1) напряжения управления на его выходе возникает последовательность импульсов постоянной амплитуды, длительность t И которых зависит от напряжения управления У. Как отмечалось, при номинальных значениях входного напряжения и сопротивления нагрузки R H номинальная длительность импульсов напряжения t Н устанавливается с помощью напряжения управления, равного сумме напряжений уставок УCT1 и УCT 2. Как было показано при рассмотрении стабилизатора с принципом управления по отклонению (см. главы 5 и 6), при отклонении входного напряжения Δ от номинального значения Н возникает напряжение рассогласования Δ. Действительно, при изменении, например повышении 94 OC У,, что приводит к увеличению напряжения возрастает управления У (за счет напряжения У1, формируемого из напряжения рассогласования Δ ), подаваемого на операционный усилитель DA1. При возрастании напряжения управления (за счет У1 ) уменьшается длительность t И импульсов напряжения на У

9 выходах DA1 и регулирующего транзистора VT1. При этом ВЫХ уменьшается, стремясь к номинальному значению ВЫХ Н (см. рис. 5.3 II). Однако, как отмечалось ранее, ВЫХ не может достичь, так как уменьшение длительности импульсов достигается ВЫХ Н за счет напряжения рассогласования Δ. При введении разомкнутой связи по входному напряжению удается уменьшить и даже полностью устранить напряжение рассогласования Δ при постоянном значении. В стабилизаторе с разомкнутой связью по входному напряжению в случае повышения увеличивается напряжение ИЭ2 на выходе измерительного элемента ИЭ2 (делителя напряжения R10 R12), возрастает напряжение на базе транзистора VT4, уменьшается его сопротивление, возрастает коллекторный ток, проходящий через резистор R5, уменьшается в точке А напряжение, подаваемое на базу транзистора VT2. Коллекторный ток VT2, проходящий через резистор R3, уменьшается, а напряжение управления У, подаваемое через R2 на операционный усилитель DA1, увеличивается. Повышение напряжения управления У, согласно рис. 5.3 II, приводит к уменьшению длительности t И импульсов напряжения на выходах DA1 и регулирующего транзистора VT1, а следовательно, к уменьшению выходного напряжения стабилизатора. При уменьшении уменьшается напряжение ИЭ2 на выходе измерительного элемента ИЭ2 (делителя напряжения R10 R12), уменьшается положительный потенциал базы относительно эмиттера транзистора VT4, его сопротивление возрастает, коллекторный ток I K4 уменьшается. Это приводит к уменьшению результирующего тока через резистор R5, повышению напряжения А и потенциала на базе транзистора VT2, увеличению его коллекторного тока, проходящего через резистор R3, к уменьшению напряжения управления У, подаваемого через резистор R2 на операционный усилитель DA1. Уменьшение напряжения управления У, как видно из рис. 5.3 III, вызывает увеличение длительности t И импульсов напряжения на выходах DA1 и регулирующего транзистора VT1, а следовательно, и повышение выходного напряжения ВЫХ стабилизатора. 95

10 Таким образом, в комбинированном стабилизаторе напряжение управления У формируется как за счет напряжения У1 (напряжения рассогласования замкнутой части стабилизатора), так и за счет напряжения У2. Путем повышения коэффициента усиления разомкнутой связи (например, перемещая ползунок потенциометра R13) можно уменьшать напряжение У1, т.е. напряжение рассогласования. При определенном значении коэффициента усиления разомкнутой связи можно формировать напряжение управления У только из напряжения У2 разомкнутой связи, когда напряжение рассогласования стабилизатора становится равным нулю. В заключение отметим, что введение разомкнутой компенсационной связи по основному возмущающему воздействию отклонению входного напряжения от номинального значения Н позволяет уменьшить напряжение рассогласования, вызываемое. Предложена функциональная схема импульсного стабилизатора с разомкнутой связью по входному напряжению, т.е. схема комбинированного импульсного стабилизатора, рассмотрены вариант принципиальной схемы такого стабилизатора напряжения и принцип его работы. 96

Мощный импульсный стабилизатор напряжения: схема

Среди всех импульсных стабилизаторов напряжения особое место занимают устройства, принцип работы которых основан на широтно – импульсной стабилизации выходного напряжения. К их преимуществу стоит отнести постоянный уровень пульсации, причём на всём интервале тока нагрузки. При помощи микросхем импульсного стабилизатора напряжения стала возможна работа в сетях как переменного, так и постоянного напряжения.

Предназначение

При помощи данного стабилизатора осуществляется питание различного радиоэлектронного оборудования, в которых присутствуют цифровые микросхемы. Обладает импульсный регулятор плавным запуском, без выбросов выходного напряжения. Он может продолжительное время находиться в режиме замыкания выходной цепи, а также имеет двухступенчатую защиту от нагрузочных токов. После снятия нагрузки автоматически возвращается в обычный (рабочий) режим своей работы.

Режимы работы

• Большая нагрузка, во время которой стабилизатор отсекает токи.
• Режим зарядки, когда прибор работает с минимальной нагрузкой и пропускает ток.

Импульсный стабилизатор напряжения, схема которого очень проста, способен увеличивать величину напряжения, напрямую зависящую от объёма накапливаемой энергии. Если запасы такой энергии начинают падать, то снижается и само напряжение.

При помощи специального интегрирующего элемента, расположенного в стабилизаторе, стало возможно существенное снижение энергетических потерь, веса и размера самого устройства регулирования.

Стоит помнить, что для стабильной работы оборудования необходимо производить периодический контроль их состояния и замеры (сроки измерения сопротивления заземляющего устройства оговорены в ПУЭ и определяются, исходя из графика ППР).

Устройство стабилизатора

Данные устройства бывают двух типов: понижающие и повышающие. С их помощью возможно регулировать входное напряжение, а также инвертировать его. Базовой основой устройства является широтно – импульсная модуляция.

В этих приборах предусмотрена защита от высокой частоты включения либо выключения оборудования, к которому они непосредственно подключены.

В микросхеме регулятора напряжения имеется конденсатор, аккумулятор и изменяющийся элемент, который исполняет роль дросселя. А в её основе находятся биполярные транзисторы и тиристоры.

Область применения

Мощный стабилизатор напряжения, схема которого может применяться для установки в оборудовании с определённым выходным напряжением, применяется не только в быту, но и на производстве. Его используют там, где параметры электрических сетей нестабильны, что существенно влияет на работу оборудования. С данными импульсными приборами регулировки напряжения достигается высокий коэффициент стабилизации и КПД.

Инженерный центр «ПрофЭнергия» имеет все необходимые инструменты для качественного проведения измерения сопротивления заземляющих устройств, слаженный коллектив профессионалов и лицензии, которые дают право осуществлять все необходимые испытания и замеры. Оставив выбор на электролаборатории «ПрофЭнергия» вы выбираете надежную и качествунную работу своего оборудования!

Если хотите заказать измерение сопротивления заземляющих устройств или задать вопрос, звоните по телефону: +7 (495) 181-50-34 .

Мощный стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

Очень часто для питания различных электронных устройств требуются напряжения разной величины — например, чувствительные микроконтроллеры могут питаться (в зависимости от конкретного экземпляра) только строго от 5В, другим микросхемам бывает нужно напряжение 9-12В, а есть и совсем низковольтные устройства, которые требуют уровня питания 3-3,3В. Для повышения напряжения, например, чтобы получить из 3,7В литий-ионного аккумулятора целых 9-12В используются импульсные источники питания — в них напряжение повышается за счёт использования явления самоиндукции в катушке индуктивности. Понижающие же преобразователи можно поделить на два типа: те же импульсные и линейные. Первые обладают высоким КПД, но имеют несколько более сложную схемотехнику с применением индуктивностей и специальных ШИМ-контроллеров. Линейные актуальны в том случае, если нужна простота, миниатюрность и отсутствие каких-либо помех на выходе — ведь линейные стабилизаторы, в отличие от импульсных, наоборот уменьшают пульсации напряжения, в отличие от импульсных, которые их наоборот генерируют за счёт высокой частоты работы. И если импульсные стабилизаторы, как повышающие, так и понижающие, очень удобно использовать в виде готовых модулей, которые по небольшим ценам продаются на Али, то вот линейные стабилизаторы имеет смысл изготавливать своими руками, под заданные параметры.

Существуют специальные микросхемы стабилизаторов, например, серия 78lхх, они имеют на выходе фиксированные значения напряжения, либо LM317, микросхема в корпусе ТО-220, которая позволяет регулировать напряжение на выходе в широких пределах. Казалось бы, зачем выдумывать что-то ещё, если можно просто взять готовую LM317 — но не так всё просто, ведь она имеет один недостаток — выходной ток всего 1,5А. Конечно, этого достаточно для большинства применений линейного стабилизатора, тем более, что уже даже на таком токе он будет сильно нагреваться, но всё же иногда может возникнуть использовать именно мощный линейный стабилизатор с током более 1,5А, например, для подачи стабилизированного питания на аудио-усилитель. Использовать для питания усилителей импульсные источники — не самый лучший вариант по той причине, что помехи от импульсного источника в последствии будут попадать и в звуковой тракт, что явится в виде постороннего шума в звуке. Сделать мощный линейный стабилизатор можно разными путями, например, по схеме, представленной ниже — и использованием мощного полевого транзистора в качестве силового элемента и микросхему TL431 в качестве регулирующего. Такая схема обеспечивает хорошую стабильность выходного напряжения — как пишет автор, напряжение на выходе изменяется лишь на доли вольта в течение большого промежутка времени, а мощный полевой транзистор обеспечивает максимальный ток через нагрузку в 10А и рассеиваемую мощность в 50Вт — при использовании радиатора соответствующих размеров. Схема такого стабилизатора представлена на картинке ниже.

Данные номиналы делителя, указанные на схеме, позволят регулировать напряжение на выходе в диапазоне от 3 до 27В, чего достаточно для большинства применений, но при необходимости этот диапазон можно менять в большую или меньшую сторону, подбирая общее сопротивление переменного резистора RV1. Здесь можно использовать либо полноценный переменный резистор с удобной ручкой для регулировки, либо небольшой подстроечный, например, такие, как на фото ниже. Также имеет смысл установить сюда многооборотный подстроечный резистор, он позволит устанавливать выходное напряжение с высокой точностью.

Конденсатор С3 служит для фильтрации помех в регулировочной части, для большей стабильности выходного напряжения, а С2 — фильтрующий на выходе. Его ёмкость на схеме указана как 22 мкФ, не стоит превышать это значение, слишком большая ёмкость на выходе может привести к неправильной работе схемы, для подавления пульсаций лучше установить большую ёмкость на входе стабилизатора. Для наглядности ниже приведено изображение все трёх электролитических конденсаторов, необходимых для сборки схемы. Обратите внимание, что все они имеют полярность и при впаивании их на плату важно её не перепутать, на схеме минусовые контакты конденсаторов помечены в виде заштрихованной обкладки, а на самих корпусах минусовой вывод отмечен в виде вертикальной полоски. Несоблюдение полярности электролитических конденсаторов обычно приводит к тому, что они начинают быстро разогреваться, а если вовремя не отключить питание от схемы, то вовсе взрываются, разбрасывая вокруг ошмётки бумаги.

Транзистор на схеме можно применить, например, один из следующих вариантов — IRLZ24/32/44, либо аналогичные им. Ключевыми параметрами здесь являются максимальное напряжение и ток через транзистор.

Схема собирается на небольшой печатной плате, рисунок которой для открытия в программе Sprint Layout представлен в архиве в конце статьи, изготовить плату можно методом ЛУТ.

Как можно увидеть, плата имеет довольно миниатюрные размеры, а потому её без труда можно встроить внутрь какого-либо устройства, того же усилителя. Транзистор не спроста стоит на краю плату спинкой в сторону — его необходимо установить на массивный радиатор. Чем больше будут токи, протекающие через стабилизатор, тем сильнее будет нагреваться транзистор, соответственно и большего размера потребуется радиатор. Не лишним будет и активное охлаждение с помощью кулера в особых случаях. Расчёт рассеиваемой на транзисторе мощности достаточно прост — нужно лишь умножить разницу в вольтах между входным напряжением и выходным и умножить её на ток, протекающий в цепи — в результате получится мощность в ваттах. Обратите внимание, что она не должна превышать 50Вт, иначе транзистор может не справится с таким большим тепловыделением.

Готовая плата будет иметь такой вид, как на картинках выше. Для подключения проводов весьма удобно использовать винтовые клеммники.

Таким образом, получился весьма простой и мощный стабилизатор, который обязательно найдёт себе применение в радиолюбительском деле. Удачной сборки! Все вопросы и дополнения пишите в комментариях.

Импульсный стабилизатор напряжения

Все стабилизирующие устройства делятся на два основных типа – линейные и импульсные. И вроде бы линейные устройства проще устроены, но имеют несколько недостатков, к примеру – низкий КПД и значительное выделение тепла при работе. Поэтому при подключении мощной нагрузки такое устройство должно быть довольно большим, а к тому же, оно будет рассеивать много энергии впустую.

Чтобы избежать этих минусов, можно использовать импульсный стабилизатор напряжения – прибор, который сглаживает скачки при помощи ключа (транзистора) и накопителя. Он обладает высоким КПД, практически не тратит энергию на нагрев, и обладает неплохими показателями стабилизации.

Принцип работы

Состоит такой прибор из ключа, способного моментально менять сопротивление (тиристора или транзистора), и интегратора (обычно – конденсатор с резистором перед ним, но может быть и дроссель, и аккумулятор), который способен накапливать заряд, а потом отдавать его потребителю.

Все импульсные стабилизаторы накапливают заряд в режиме закрытого ключа (отсечка), и в этом случае транзистор включен в режим бесконечного сопротивления. После – устройство отдает ток в нагрузку в режиме открытого ключа (насыщения), тут уже транзистор работает практически с нулевым сопротивлением. Так как этот процесс повторяется циклически, питание подается на нагрузку прерывисто – в виде импульсов заданной частоты, из чего и происходит название такого вида стабилизаторов.

Разновидности импульсных стабилизаторов

Все стабилизирующие устройства импульсного типа по типу управления можно поделить на такие группы:

• Ключевой с триггером Шмитта;
• Ключевой с широтно-импульсной модуляцией;
• С частотно-импульсной модуляцией.

С триггером Шмитта

Импульсный стабилизатор напряжения, схема которого приведена ниже, содержит в себе инвертирующий триггер Шмитта, и еще известен как релейный, или стабилизатор с двухпозиционным регулированием.

Триггер содержит в себе компаратор, который сравнивает значение напряжения в емкости с максимально и минимально допустимыми значениями. Если показатель находится в допустимых пределах – положение ключа неизменно, как только достигается критическое значение – ключ изменяет положение. Этот процесс протекает циклично.

С ШИМ-модуляцией

Все работает так же, как и в предыдущей схеме, однако есть еще усилитель, генератор и модулятор. Модулятор сравнивает данные накопителя с опорным вольтажом, и при необходимости усиливает разность, поступающую на модулятор. Таким образом, регулируется время открытия или закрытия ключа (продолжительность импульса).

В подобной схеме частота преобразования не зависит от тока и напряжения на входе, а определяется лишь частотами на тактовом генераторе.

С частотно-импульсной модуляцией

В таком варианте исполнения прибора, импульс открытия ключа имеет постоянную длительность, а вот частота следования самих импульсов уже зависит от разности между опорным выходным напряжением. Допустим, вырос ток на потребителе, или наоборот – упало входное напряжение – в таком случае вырастет и частота импульсов стабилизации.

В таких приборах ключ зачастую управляется мультивибратором с управляемой частотой.

По разновидностям силовой части стабилизатора выделяют такие схемы импульсных стабилизаторов:

• Понижающий;
• Повышающий;
• Инвертирующий.

Понижающий

Это довольно надежные устройства, постоянно имеющие на выходе вольтаж меньше, чем на входе. Простейшая схема импульсного стабилизатора напряжения на на 12 В показана ниже:

При подаче управляющего напряжения, транзистор переходит в режим насыщения, ток движется по цепи от плюса по дросселю к нагрузке. При отключении управляющего сигнала – транзистор закрывается, и переходит в режим отсечки. И снова при подаче отпирающего напряжения открывается ключ – весь цикл повторяется.

Повышающий

Данная схема используется там, где разность потенциалов нагрузки значительно выше, чем вольтаж на входе. Когда транзистор включен в режим насыщения, так идет от плюса по дросселю к транзистору. При отключении управляющего напряжения на транзисторе, и на дросселе возникает ЭДС самоиндукции.

Получится, что она подключена последовательно с входящим током, и через диод коммутирована с нагрузкой. Таким образом, получается, что магнитное поле дросселя продуцирует энергию, а емкость накапливает заряд для выдачи тока на потребителя, когда транзистор перейдет в режим насыщения. Выходит, что в данной схеме дроссель служит резервной емкостью для сглаживания скачков и просадок.

Инвертирующий

Как понятно из названия, этот тип стабилизатора может, как понижать, так и повышать показатели сети относительно входящих значений. Схема, по сути, повторяет предыдущую, за тем отличием, что диод с сопротивлением и емкостью подключаются параллельно дросселю, а не ключу. Амплитуда пульсаций в таком варианте устройства зависит от емкости конденсатора, а дроссель в данной схеме уже не является частью фильтра.

Есть еще один вид устройств – регулируемый импульсный стабилизатор напряжения. В таком приборе выходящий ток обычно регулируется при помощи изменяемого сопротивления, или реостата. Благодаря возможности настройки, такой тип стабилизаторов можно использовать для питания потребителей с разным напряжением – достаточно лишь правильно подобрать номинал резистора.

Важно знать, что все перечисленные выше устройства призваны стабилизировать показатели сети только при работе с постоянным током, к примеру, такой импульсный стабилизатор напряжения на 12 Вольт отлично подойдет для бортовой сети автомобиля. Но если прибор планируется применять в бытовой сети с переменным током, то в схему обязательно нужно вносить изменения – ставить выпрямитель, а также фильтр сглаживания.

Еще один нюанс – возникновение высокочастотных помех при стабилизации. Чтобы минимизировать этот эффект, необходимо использовать фильтры, причем как на входе, так и на выходе стабилизирующего прибора.

Преимущества и недостатки

Как и любой другой стабилизатор, импульсное устройство обладает рядом преимуществ и недостатков. Среди главных достоинств стоит отметить:

• Хорошие показатели стабилизации;
• Высокий КПД (при использовании транзистора в качестве ключа);
• Мягкое включение в работу;
• Малые габариты устройства (в сравнении с линейными аналогами).

Однако есть и ряд недочетов, которые тоже нужно иметь ввиду:

• При использовании диода имеются потери на нагрев;
• Наличие множества элементов снижает общую надежность;
• Необходимость тонкой (довольно сложной) настройки прибора;
• Сложности в ремонте – при поломке диагностировать неисправность должен профессионал.

Но, не смотря на все эти недостатки, импульсные стабилизаторы напряжения широко используются в быту. Как пример – блоки питания во всех современных компьютерах – импульсные.

Моменты, которые остались неясны, вы можете уточнить, посмотрев это видео: