Глава 11 импульсные стабилизаторы
11.1 Общие сведения об импульсных стабилизаторах
Стабилизаторы с непрерывным регулированием имеют низкий коэффициент полезного действия (40-50)%, часть энергии постоянного тока уходит в тепло на регулирующем элементе стабилизатора. Чтобы не произошёл тепловой пробой регулирующего транзистора, его устанавливают на радиатор.
Применение таких стабилизаторов ограничено.
В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент устанавливается в импульсный режим работы. В этом случае рассеиваемая мощность на транзисторе небольшая:
Если транзистор открыт, его электрическое сопротивление мало и проходящий через него ток не встречает противодействия, и транзистор не нагревается.
Если транзистор закрыт, его электрическое сопротивление большое и ток через него не протекает, транзистор не нагревается.
В активном режиме при переключении из открытого состояния в закрытое состояние и наоборот, процесс идёт очень быстро и транзистор не успевает нагреться.
Коэффициент полезного действия стабилизатора получается высоким (70-90)%, но при этом ток, поступающий к нагрузке становиться прерывистым. Для обеспечения непрерывности тока в нагрузке в импульсных стабилизаторах устанавливают сглаживающий фильтр.
Классификация импульсных стабилизаторов
В зависимости от построения силовой части:
Схема с последовательным включением дросселя и регулирующего элемента.
Схема с последовательным включением дросселя и параллельным включением транзистора.
Схема с последовательным включением транзистора и параллельным включением дросселя.
По способу регулирования:
Стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией.
Стабилизаторы с частотно-импульсной модуляцией.
Стабилизаторы двухпозиционные.
Рисунок 11.1 – Структурная схема импульсного стабилизатора
Регулирующий элемент – регулирует ток так, чтобы напряжение на нагрузке оставалось постоянным с допустимой точностью.
Сглаживающий фильтр – уменьшает пульсации тока до допустимой величины, обеспечивает непрерывность тока нагрузки.
Источник опорного напряжения – вырабатывает сигнал напряжения постоянного тока с высокой стабильностью (мера).
Схема сравнения – сравнивает напряжение на нагрузке с напряжением источника и вырабатывает сигнал ошибки.
Усилитель постоянного тока – усиливает сигнал ошибки, расширяет пределы регулирования.
Импульсный элемент – преобразует сигнал ошибки в последовательность импульсов, включающих регулирующий элемент, так чтобы выровнять напряжение на нагрузке.
Принцип действия стабилизатора компенсационный, представляет систему автоматического регулирования.
11.2 Принципиальные схемы силовой части импульсного стабилизатора
Uвых = Uвх•γ.
Рисунок 11.2 – Схема силовой части импульсного стабилизатора с последовательным включением дросселя и регулирующего элемента
При включении питания стабилизатор начинает функционировать. Схема управления выдаёт сигнал, включающий транзистор VT1. Сопротивление транзистора резко уменьшается, начинает протекать ток через дроссель и нагрузку.
Дроссель насыщается, его магнитное поле увеличивается, конденсатор заряжается и накапливает энергию в виде электрического поля.
По окончании импульса управления транзистор закрывается. Магнитное поле дросселя уменьшается, возникает в катушке ЭДС. ЭДС поддерживает ток в том же направлении через нагрузку.
Ток протекает через коммутирующий диод. Часть энергии отдаёт конденсатор. Напряжение на нагрузке выравнивается и остаётся неизменным с допустимой точностью.
Напряжение на выходе зависит от напряжения на входе и коэффициента заполнения. γ – коэффициент заполнения (см. рисунок 11.2).
Uвых = Uвх•γ (11.1)
Uвых=
Рисунок 11.3 – Схема силовой части импульсного стабилизатора с последовательным включением дросселя и параллельным включением транзистора
При включении питания стабилизатор начинает функционировать. Схема управления выдаёт сигнал, включающий транзистор VT1. Сопротивление транзистора резко уменьшается, начинает протекать ток через дроссель и транзистор. Дроссель насыщается, его магнитное поле увеличивается. По окончании импульса управления транзистор закрывается. Магнитное поле дросселя уменьшается, возникает в катушке ЭДС. Напряжение питания от источника питания складывается с напряжением дросселя. Ток начинает протекать через коммутирующий диод на нагрузку и происходит заряд конденсатора. При открывании транзистора VT1, конденсатор начинает разряжаться на нагрузку, поддерживает постоянным по величине напряжение. Напряжение на нагрузке выравнивается и остаётся неизменным с допустимой точностью. Напряжение на выходе больше напряжения на входе и зависит от напряжения на входе и коэффициента заполнения.
Uвых=
Рисунок 11.4 – Схема силовой части импульсного стабилизатора с последовательным включением транзистора и параллельным включением дросселя
При включении питания стабилизатор начинает функционировать. Схема управления выдаёт сигнал, включающий транзистор VT1. Сопротивление транзистора резко уменьшается, начинает протекать ток через дроссель и транзистор. Дроссель насыщается, его магнитное поле увеличивается.
По окончании импульса управления транзистор закрывается. Магнитное поле дросселя уменьшается, возникает в катушке ЭДС другого знака. Ток начинает протекать через нагрузку и коммутирующий диод, происходит заряд конденсатора. На нагрузке возникает напряжение другого знака.
При открывании транзистора VT1, конденсатор начинает разряжаться на нагрузку, поддерживает постоянным по величине напряжение.
Напряжение на нагрузке выравнивается и остаётся неизменным с допустимой точностью. Напряжение на выходе другого знака, чем напряжения на входе и зависит от напряжения на входе и коэффициента заполнения.