5.3 Импульсные стабилизаторы напряжения

Основное отличие – работа регулирующего транзистора в режиме переключения. В результате мощность, рассеиваемая на нем, много меньше, чем при работе в линейном режиме. КПД выше (достигает 80 – 90%), габариты меньше. Принцип действия основан на периодическом подключении нагрузки к источнику нестабилизированного напряжения с последующим сглаживанием. Структурная схема ключевого стабилизатора представлена на рисунке 74.

Рисунок 74. Схема ключевого стабилизатора

Мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, в рассмотренных стабилизаторах, является достаточно большой. Это определяет относительно невысокий, особенно при стабилизации малых напряжений, коэффициент полезного действия, часто не превышающий 50%.

Больших значений КПД стабилизатора напряжения можно достичь, если регулирующий постоянное напряжение транзистор заменить импульсным коммутатором. Среднее значение выходного напряжения в такой схеме регулируется тем, что коммутатор периодически открывается и закрывается, а отношение времени его открытого состояния к периоду повторения может регулироваться. После коммутатора в такую схему включается фильтр, сглаживающий пульсации выходного напряжения. Чтобы не возникало потерь мощности, используют, как правило, фильтры второго порядка LC – типа. Описанный принцип предусматривает включение коммутатора в цепь постоянного напряжения после выпрямителя и силового трансформатора, поэтому такие стабилизаторы напряжения часто называют вторичными.

В сетевых источниках питания следует учитывать мощность потерь силового трансформатора. Она может быть существенно снижена, если рабочая частота трансформатора составляет несколько килогерц, так как при этом его обмотки имеют меньшее число витков. Сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается непосредственно на первичной стороне, а затем с помощью транзисторного коммутатора преобразуется в высокочастотное переменное напряжение, которое и подаётся на соответственно рассчитанный силовой трансформатор. Для стабилизации выпрямленного напряжения на первичной стороне трансформатора используют импульсный транзисторный регулятор с изменяемой длительностью включения коммутатора. Такие стабилизаторы называют первичными. Они имеют высокий КПД, доходящий до 80%. Ещё одно преимущество таких источников питания состоит в том, что значительно снижаются габариты и вес используемых в них силовых трансформаторов. При построении таких источников питания предусматривают гальваническую развязку для сигналов управления импульсным коммутатором.

5.3.1 Импульсный стабилизатор постоянного напряжения.

На рисунке 75 показана принципиальная схема регулирования выходного напряжения с помощью импульсного стабилизатора. Транзистор Т1 переключается с частотой несколько десятков килогерц из полностью запертого состояния в полностью открытое состояние. Диод D предотвращает появление высокого напряжения самоиндукции дросселя L при закрывании транзистора, так как ток дросселя, замыкаясь через диод, может продолжать течь по нему. Таким образом, в течение времени, когда транзистор Т1 закрыт, ток нагрузки обеспечивается не только за счёт ёмкости конденсатора, но и за счёт самоиндукции дросселя.

Рисунок 75.Принцип работы импульсного стабилизатора (Uвх > Uвых).

Это обусловливает хорошее сглаживание выходного напряжения без потерь мощности.

Для анализа работы импульсного стабилизатора предположим, что период управляющего напряжения равен Т и складывается из времени открытого состояния и, соответственно, времени закрытого состояния транзистора Т = tоткр +tзакр.

Для упрощения анализа допустим, что ёмкость выходного конденсатора велика – в первом приближении равна бесконечности. При этом пульсации выходного напряжения близки к нулю.

Согласно закону электромагнитной индукции

В течение времени, когда коммутирующий транзистор заперт, пренебрегая напряжением на открытом диоде

UL ≈ − Uвых = const

Ток дросселя, таким образом, снижается линейно во времени:

В течение времени, когда коммутирующий транзистор открыт,

UL ≈ Uвх − Uвых = const

В это время ток дросселя возрастает также линейно во времени:

График зависимости тока дросселя от времени изображён на рисунке 76.

Рисунок 76.Временная диаграмма напряжений и токов в импульсном стабилизаторе напряжения.

Переходя к конечным приращениям тока через дроссель, получим

Из этого соотношения следует

Т аким образом, выходное напряжение импульсного стабилизатора прямо пропорционально коэффициенту заполнения импульсов коммутатора и не зависит от выходного тока, пока .

Наиболее часто для управления используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), при которой I = const. В отдельных случаях изменяют параметр tзакр, оставляя постоянным tоткр, что эквивалентно частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). Значение индуктивности может быть найдено из соотношения

Г де – сопротивление нагрузки, – коэффициент

перерегулирования тока, выбираемый обычно равным 1,2.

При конечном значении ёмкости конденсатора на выходе стабилизатора будут наблюдаться пульсации напряжения

которые определяют выбор С.