2. Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения

В импульсных стабилизаторах напряжения (ИСН) регули­рующий элемент (транзистор) работает в режиме переключении. В этом состоит основное отличие их от стабилизаторов непрерыв­ного действия. В режиме переключения рабочая точка транзистора большую часть периода коммутации находится в области насыще­ния или отсечки, а зону активной области проходит с высокой ско­ростью только в моменты переключения. Причем значение средней за период коммутации мощности, рассеиваемой на регулирующем транзисторе, намного меньше, чем при его работе в непрерывном режиме. Поэтому импульсные стабилизаторы напряжения по срав­нению с непрерывными имеют более высокий КПД и в отдельных случаях лучшие массогабаритные показатели за счет уменьшения или исключения радиаторов для регулирующего транзистора.

Недостатки импульсных стабилизаторов:

 более сложная схема управления;

 повышенный уровень шумов, радиопомех;

 пульсации выходного напряжения;

 худшие динамические характеристики.

2.1. Схемы силовых цепей импульсных стабилизаторов

2.1.1. Регулирующие элементы

По способу построения силовой части импульсные стабили­заторы постоянного напряжения разделяются на три типа:

 с последовательно включенными регулирующим элемен­том, дросселем и нагрузкой;

 с дросселем, включенным последовательно с нагрузкой, и регулирующим элементом, подключенным параллельно нагрузке;

 с дросселем, подключенным параллельно нагрузке, и регу­лирующим элементом, включенным последовательно с нагрузкой.

Импульсный последовательный стабилизатор (понижаю­щего типа) выполняется по структурной схеме, приведенной на рис. 2.1, а, в которой регулирующий элемент РЭ и дроссель фильтра L включены последовательно с нагрузкой R_н. В качестве РЭ используется транзистор, работающий в режиме переключении, при котором он поочередно находится в режиме насыщения (когда он полностью открыт) или в режиме отсечки (когда он полностью закрыт). При открытом транзисторе в течение времени t_и (рис. 2.1, б) энергия от входного источника постоянного тока U_п (или выпрямителя с выходным напряжением U₀) передается в на­грузку через дроссель L, в котором накапливается избыточная энергия. При закрытом транзисторе в течение времени t_п накоплен­ная в дросселе энергия через диод VD передается в нагрузку.

Период коммутации (преобразования) равен T_п = t_и + t_п.

Частота коммутации (преобразования) равна

fп = 1/Tп = 1 / (tи + tп).

(2.1.1)

Отношение длительности открытого состояния транзистора, при котором генерируется импульс напряжения длительностью t_и к периоду коммутации T_п называется коэффициентом заполнения:

 = tи/Tп = tи / (tи + tп) = tи fп.

(2.1.2)

Иногда при расчетах удобно пользоваться скважностью

Q = 1/ = Tп/tи = (tи + tп) / tи = 1 / tи fп.

(2.1.3)

В импульсном стабилизаторе регулирующий элемент (РЭ) преобразует (модулирует) входное постоянное напряжение U_п (U₀) в серию последовательных импульсов определенной длительности и частоты, а сглаживающий фильтр, состоящий из диода VD, дрос­селя L и конденсатора C демодулирует их опять в постоянное на­пряжение U_н. При изменении входного напряжения U_п (U₀) или тока в нагрузке R_н в импульсном стабилизаторе с помощью цепи обрат­ной связи (рис. 2.1, а), состоящей из измерительного элемента (ИЭ) и схемы управления (СУ), длительность импульсов изменяется та­ким образом, что выходное напряжение U_н остается стабильным с определенной степенью точности.

а

б

Рис. 2.1. Структурная схема импульсного последовательного стабилизатора (понижающего типа)

Наличие конденсатора C_н не является принципиально необ­ходимым. Однако при отсутствии конденсатора для получения малой пульсации выходного напряжения ИСН требуется большая индуктивность дросселя.

Импульсный режим работы позволяет значительно умень­шить мощность потерь в регулирующем элементе и тем самым по­высить КПД источника питания, уменьшить его массу и габариты. В этом состоит решающее преимущество импульсных стабилиза­торов перед непрерывными стабилизаторами.

Импульсные стабилизаторы в зависимости от способа управ­ления регулирующим транзистором могут выполняться с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), частотно-импульсной модуля­цией (ЧИМ) или релейного типа. В ШИМ-стабилизаторах в про­цессе работы изменяется длительность импульса t_и, а частота ком­мутации остается неизменной, в ЧИМ-стабилизаторах изменяется частота коммутации, а длительность импульса t_и остается постоян­ной, в релейных стабилизаторах в процессе регулирования напря­жения изменяется и длительность импульса, и частота; это является их основным недостатком, ограничивающим применение.

Импульсный параллельный стабилизатор (повышающего типа) выполняется по структурной схеме, приведенной на рис. 2.2, в которой регулирующий элемент (транзистор) подключен па­рал­лельно нагрузке R_н и также работает в импульсном режиме. Диод VD блокирует нагрузку R_н и конденсатор фильтра C от регулирую­щего элемента. Когда регулирующий транзистор открыт, ток от источ­ника питания U_п протекает через дроссель L, запасая в нем энер­гию. Диод VD при этом отсекает (блокирует) нагрузку и не по­зво­ляет конденсатору C разрядиться через открытый регулирующий транзистор. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора C. В следующий момент, когда регули­рующий транзистор закрыт, ЭДС самоиндукции дросселя L сумми­руется с входным напряжением и энергия дросселя отдается в на­грузку; при этом выходное напряжение оказывается больше вход­ного напряжения питания U_п (U₀). В отличие от схемы на рис. 2.1 здесь дроссель не является элементом фильтра, а выходное напря­жение становится больше входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя L и скважностью работы регулирую­щего транзистора, определяемой по формуле (2.1.2).

Схема управления стабилизатором на рис. 2.2 построена та­ким образом, что при повышении, например, входного напряжения питания U_п (U₀) длительность открытого состояния t_и регулирую­щего транзистора уменьшается на такую величину, что выходное напряжение U_н остается неизменным с определенной степенью точности.

Рис. 2.2. Структурная схема импульсного параллельного стабилизатора (повышающего типа)

Импульсный параллельный инвертирующий стабилизатор выполняется по структурной схеме, приведенной на рис. 2.3. В от­личие от предыдущей схемы здесь параллельно нагрузке R_н вклю­чен дроссель L, а регулирующий элемент РЭ включен последова­тельно с нагрузкой. Блокирующий диод отделяет конденсатор фильтра C и нагрузку R_н от регулирующего элемента. Стабилиза­тор обладает свойством изменения (инвертирования) полярности выходного стабильного напряжения U_н относительно полярности входного напряжения питания. Значение выходного напряжения такого стабилизатора в зависимости от относительной длительно­сти открытого состояния регулирующего транзистора может быть как больше, так и меньше напряжения U_п. Накопление энергии в L и C_н, а также передача энергии от этих элементов и источника пи­тания в нагрузку происходит аналогично схеме на рис. 2.2.

Рис. 2.3. Структурная схема импульсного параллельного стабилизатора инвертирующего типа

Из рассмотренных схем наибольшее применение находит по­следовательный импульсный понижающий стабилизатор (рис. 2.1), в котором сглаживание пульсации осуществляется LC-фильтром. В стабилизаторах повышающего типа (рис. 2.2 и 2.3) дроссель L не участвует в сглаживании пульсации выходного постоянного на­пряжения. В этих схемах сглаживание пульсации достигается только увеличением емкости конденсатора C. Это приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом.

Для более полного использования регулирующего транзи­стора по напряжению или ограничения напряжения на нем, что дает возможность исключить последовательное соединение нескольких транзисторов, применяются дроссели с отводами, т.е. их авто­трансформаторное включение. В таких схемах дроссель выполня­ется с отводом от части витков обмотки и включается как авто­трансформатор. Автотрансформаторное включение дросселя позволяет также изменять коллекторный ток транзистора.

Схема управления (СУ) позволяет получить заданную ста­бильность напряжения U_н на нагрузке. Вход СУ во всех трех типах ИСН подсоединяется к нагрузке для формирования сигнала рассо­гласования в цепи обратной связи, а ее выход  к выводам эмиттер-база регулирующего транзистора для управления его включением и выключением. Стабилизация выходного напряжения ИСН при изменениях напряжения питания или тока нагрузки осуществля­ется изменением скважности импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра, уменьшающего до заданного уровня пульсацию напряжения на нагрузке.