1. Импульсные стабилизаторы напряжения
1.1. Принцип действия и классификация импульсных стабилизаторов напряжения
Принцип действия непрерывных (линейных) стабилизаторов напряжения с последовательным регулирующим элементом, состоит в том, что при изменении входного напряжения и/или тока нагрузки выходное напряжение стабилизатора (напряжение на нагрузке) поддерживается постоянным за счет изменения падения напряжения на регулирующем элементе. Разность между входным и выходным напряжениями падает на мощном регулирующем транзисторе и в зависимости от схемы его включения и диапазона изменения входного напряжения может достигать нескольких вольт. Как следствие при протекании тока нагрузки на этом транзисторе рассеивается довольно большая мощность. Это предопределяет относительно невысокий коэффициент полезного действия (КПД) линейного стабилизатора, который в случае низких напряжениях стабилизации может падать даже ниже 50%.
Существенно больших значений КПД можно достичь, если вместо непрерывного регулирующего элемента между входным напряжением и нагрузкой включить импульсный коммутатор (ключ), который циклически (с определенным периодом повторения T) переключается из разомкнутого (закрытого) состояния в замкнутое (открытое) и обратно. В этом случае среднее значение выходного напряжения на нагрузке будет определяться отношением длительности topen его открытого состояния к периоду повторения. Таким образом, меняя относительную длительность открытого состояния ключа, можно в широких пределах регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. Если между коммутатором и нагрузкой включить соответствующий фильтр нижних частот, можно сгладить пульсации напряжения на нагрузке до необходимой величины. Вполне очевидно, что при малом сопротивлении ключа в открытом состоянии (в идеале оно может быть очень близко к нулевому), потери мощности на таком регулирующем элементе весьма малы, и на практике КПД здесь может достигать 95% и более.
Источники питания с коммутаторами называют импульсными источниками питания, а если они осуществляют стабилизацию выходного напряжения, то импульсными стабилизаторами напряжения. По сравнению с непрерывными стабилизаторами напряжения импульсные источники обладают не только существенно более высоким КПД, но дополнительно позволяют получить:
• выходное напряжение больше входного;
• выходное напряжение обратной полярности по отношению к входному;
• выходное напряжение, гальванически не связанное с входным;
• стабилизацию выходного напряжения при широком (более 50%) диапазоне изменения входного;
• при выходной мощности в десятки и более ватт − существенно меньшие массу и габариты.
Недостатками ИМС импульсных источников являются:
• импульсный характер напряжений и токов в схеме, что обуславливает порой;
• весьма интенсивные помехи в нагрузке, в первичном источнике питания и в окружающем пространстве и требует применения сложных сглаживающих фильтров, тщательного экранирования и детальной проработки конструкции;
• определенные сложности с обеспечением устойчивости импульсных устройств с обратной связью;
• относительно большая (но сравнению с непрерывными устройствами) длительность переходных процессов;
• наличие внешних компонентов.
Классификация импульсных источников питания приведена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Классификация импульсных источников питания
Импульсные источники питания отличаются большим многообразием принципов построения и схемных решений. Ниже мы рассмотрим наиболее