7.5.4. Імпульсні стабілізатори напруги

Імпульсний стабілізатор, в порівнянні з лінійним, володіє значно більш високим ККД. Недоліком імпульсного стабіліза-тора є наявність імпульсних перешкод у вихідній напрузі.

На відміну від лінійного стабілізатора, імпульсний стабілізатор може перетворювати вхідну напругу довільним чином (залежить від схеми стабілізатора):

• понижуючий стабілізатор: вихідна стабілізовану напругу завжди нижче вхідного і має ту ж полярність;

• підвищувальний стабілізатор: вихідна стабілізовану напругу завжди вище вхідного і має ту ж полярність;

• інвертуючий стабілізатор: вихідна стабілізовану напругу має зворотну полярність щодо вхідного, абсолютне значення вихідної напруги може бути будь-яким.

Ключовий (релійний) імпульсний стабілізатор

На рис. 7.27. зображена схема ключового стабілізатора напруги з тригером Шмітта. У ньому, при замкнутому ключі (1), вхідна напруга надходить через ключовий елемент на накопичувач (2), а вихідна напруга порівнюється з мінімально допустимою напругою і максимально допустимою напругою в компараторе (4), який є вхідний складовою частиною инвертирующего тригера Шмітта (3).

Рис. 7.27. Функціональна схема ключового стабілізатора напруги з тригером Шмітта

Як тільки вихідна напруга перевищує максимально допустиму напругу U _max, інвертуючий тригер Шмітта перемика-ється в “0” і закриває ключ (1). Накопичувач розряджається, поки напруга на ньому не впаде нижче мінімально допустимого напруги U_min, після чого інвертуючий тригер Шмітта перемика-ється в “1”, ключ знову відкривається і процес повторюється. У середині діапазону стабілізації від _Umin до U_max стан ключа не змінюється.

Напруги порівняння U_min і U_max формуються з опорного напруги (5), при застосуванні простого тригера Шмітта без зворотного зв’язку простими дільниками напруги, а при засто-суванні більш складного тригера Шмітта зі зворотним зв’язком більш складними для розрахунку U_min і U_max ланцюгами.

Такий стабілізатор простий по конструкції, частота зами-кання/розмикання ключа в ньому визначається сумою постійних часу заряду і розряду накопичувача (об’єкта управління) і різницею між максимально допустимим і міні-мально допустимим напруженнями і, при постійному навантаженні, постійна.

Ключовий стабілізатор з широтно-імпульсною модуляцією

На рис. 7.28. зображена схема ключового стабілізатора напруги з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ).

Рис. 7.28. Функціональна схема ключового стабілізатора напруги з ШИМ

Коли ключ (1) замкнутий, вхідна напруга U_вх i через ключ надходить на інтегратор (2). Інтегратор накопичує енергію, що подається з ключа і віддає її в навантаження, коли ключ розімкнути. У результаті на виході маємо усереднене значення напруги, яка залежить від вхідної напруги і шпаруватості імпульсів, що залежить від частоти генератора і ємності конденсатора.

Підсилювач на ОП (4) зрівнює вихідну напругі з еталонною напругою (6) і підсилює їх різницю. Посилена різниця надходить на модулятор (3). У модуляторі компаратор перетворює імпульси генератора (5) в прямокутні імпульси, відхилення шпаруватості яких від середнього значення, рівного 2, пропорційно різниці між вихідним напругою і напругою порівняння. Тому, ключовою стабілізатор напруги з ШІМ, при малих відхиленнях вихідної напруги від напруги порівняння працює як пропорційний регулятор (П-регулятор). Зазвичай генератор видає трикутні або пилкоподібні імпульси, які перетворюються в прямокутні за допомогою порогового елемента з регульованим порогом спрацьовування ( компаратора). Прямокутні імпульси з виходу модулятора управляють замиканням і розмиканням ключа (1).

При малих відхиленнях вихідної напруги від напруги порівняння шпаруватість близька до 2, а частота роботи ключа близька до частоті генератора модулятора. Ключ (транзистор) працює в найбільш сприятливому частотному режимі.

При великих відхиленнях вихідної напруги від напруги порівняння шпаруватість може змінюватися до 0 або до , Еквівалентна частота роботи ключа на початку періоду або в кінці періоду наближається до . Ключ (транзистор) працює в найгіршому частотному режимі, в якому найчастіше і виходить з ладу, потім ключ (транзистор) переходить в сприятливі, повністю відкрите чи в повністю закритий стан. У якості елемента накопичування енергії доцільно застосовувати котушки індуктивності (дроселя).

Схеми стабілізаторів напруги з індуктивним накопичу-вачем широко застосовують для виготовлення понижуючих, підвищувальних та інвертуючи стабілізаторів.

Принцип роботи стабілізатор зі зменшенням напруги

На рис.7.29. зображена схема ілюстрації роботи стабіліза-тор зі зменшенням напруги. Окрім ключа S, найпростіша схема з дроселем L включає діод D і конденсатор C. Коли ключ S замикає коло, струм від джерела тече через дросель L в навантаження. ЕРС самоіндукції дроселя скерована проти напруги джерела напруги. В результаті напруга на опорі навантаження дорівнює різниці напруг джерела і ЕРС самоіндукції дроселя, струм через дросель росте, як і напруга на конденсаторі C і навантаженні.

Рис.7.29. Схема ілюстрації роботи стабілізатора зі зменшенням вихідної напруг

При розімкнутому ключі S струм продовжує текти через дросель в тому ж напрямку через діод VD і навантаження, а також конденсатор C. ЕРС самоіндукції прикладена до опору R через діод D, струм через дросель зменшується, як і напруга на конденсаторі C і на навантаженні.

В якості перемикача S може бути використаний польовий чи біполярний транзистор, або тиристор. Напруга на опорі навантаження не може перевищувати напругу джерела.

Стабілізатор з підвищенням напруги

На рис.7.30. зображена схема ілюстрації роботи стабіліза-тор зі зменшенням напруги.

Рис.7.30. Схема ілюстрації роботи стабілізатора з підвищенням вихідної напруг

В цій схемі комутуючий елемент S ввімкнутий після дроселя. Коли він замкнутий, струм від джерела тече через дросель L; струм через нього збільшується, в ньому накопичу-ється енергія.

При роз’єднанні кола струм від джерела тече через дросель L, діод VD і опір навантаження. Напруга джерела і ЕРС самоіндукції дроселя прикладені в одному напрямку і сумуються на опорі навантаження. Струм поступово зменшу-ється, дросель віддає енергію в навантаження. Поки перемикач замкнутий, навантаження живиться напругою конденсатора C. Діод D не дає йому розрядитися через ключ S.

В якості перемикача S може також бути використаний польовий чи біполярний транзистор, або тиристор. Напруга на опорі навантаження не може перевищувати напругу джерела.

На відміну від блоків живлення з мережевим трансформа-тором, імпульсні блоки живлення можуть працювати при досить високій частоті перетворення. Підвищення частоти дозволяє зменшити габарити і масу пристрою. З верхнього боку діапазон частот перетворювачів обмежується вимогами обмеження джерел перешкод для роботи радіочастотної апаратури. Зазвичай діапазон частот перетворювачів становить 20...80 кГц.

На рис. 7.31. зображена схема сучасного імпульсного стабілізатора напруги з використанням ШІМ- модулятора КР1114ЕУ4.

Р ис. 7.31. Стабілізатора напруги з використанням ШІМ- модулятора КР1114ЕУ4.

Максимальна вхідна напруга стабілізатора – 30В, вона обмежене гранично допустимою напругою стік-витік р-канального польового транзистора VT₁ (RFP60P03). Резистор R₃ і конденсатор С₅ задають частоту генератора пилкоподібної напруги. З джерела опорного напруги (виведення 14) D₁ через резистивний дільник R₆-R₇ на інвертуючий вхід першого підси-лювача похибки (виведення 2) подається частина зразкового напруги.

Сигнал зворотного зв’язку через дільник R₈,R₉ подається на неінвертуючий вхід першого підсилювача похибки (виведення1) мікросхеми. Вихідна напруга регулюється резистором R₇. У стабілізаторі вихідний формувач мікросхеми включений в однотактному режимі. Для цього виведення 13 включений на загальний провід.

Вихідний каскад мікросхеми через резистивний дільник R₁,R₂ керує регулюючим елементом стабілізатора – польовим транзистором VT₁. Як видно зі схеми, при застосуванні КР1114ЕУ4 вимагається порівняльне невелике число зовнішніх елементів. Зменшити комутаційні втрати і підвищити ККД стабілізатора вдалося завдяки використанню діода Шоттки (VD₂ ) КД2998Б ( U_np = 0,54 В, U_зв = 30 В, f_max = 200 кГц).

Для захисту стабілізатора від перевантаження по струму застосований самовідновлюється запобіжник FU₁ MF-R400 Принцип роботи подібних запобіжників заснований на властивості різко збільшувати свій опір під впливом певного значення струму або температури навколишнього середовища і автоматично відновлювати свої властивості при усунення цих причин. Стабілізатор має максимальний ККД (близько 90%) на частоті 12 кГц