4.5. Схемотехника импульсных стабилизаторов напряжения

Отличительной особенностью импульсных стабилизаторов напряжения является то, что вместо управляющего элемента работающего в непрерывном режиме между входным напряжением и нагрузкой включения аналоговый коммутатор циклически разрывающей коммутируемую цепь. В этом случае среднее значение выходного напряжения на нагрузке будет определяться отношением длительности открытого состояния ключа t_от к периоду повторения T. Меняя это соотношение легко управлять выходным напряжением стабилизатора в широких пределах, а использование фильтров позволяет отлаживать пульсации. Коэффициент полезного действия (КПД) импульсных стабилизаторов значительно превышает КПД линейных стабилизаторов, поскольку при открытом ключе потери мощности на нем незначительны.

Кроме этого важным для медицинского приборостроения преимуществом импульсных стабилизаторов является то, что его входное напряжение может быть гальванически развязано от выходного напряжения.

Существует достаточно большая номенклатура источников импульсного питания, которые отличаются схемотехническими и конструктивными номенклатурными решениями. На практике используется два основных их типа с промежуточным накоплением энергии и без промежуточного накопления.

В импульсных стабилизаторах напряжения (ИСН) с промежуточным накоплением энергии процесс стабилизации реализуется в два этапа. На первом этапе на катушке индуктивности (дросселе) или конденсаторе происходит накопление энергии, а на втором этапе накопленная энергии переключения на нагрузку. На рис. 4.33 приведен вариант структурной схемы ИСН с накоплением энергии.

Рис. 4.33 Структурная схема ИСН с накоплением энергии на дросселе.

Процессами открывания и закрывания транзистора VT1 управляет схема содержащая источник опорного напряжения, (ИОН), сумматор (СМ), усилитель ошибки (УО), модулятор (МД) и драйвер (ДРВ). В этих блоках происходит сравнение напряжения с ИОН с U_вых. Если выходное напряжение уменьшается по сравнению с опорным, то модулятор формирует импульс большей длительности (при фиксированном периоде их следования), открывающий транзистор VT1. Если выходное напряжение увеличивается по сравнению с опорным – длительность открывающего импульса уменьшается. Драйвер обеспечивает согласование выхода модулятора с цепью управления мощным транзистором VT1. Таким образом, время открытия ключа зависит от рассогласования между выходным и опорным напряжениями. В свою очередь, открывающийся транзистор обеспечивает передачу тока от источника входного напряжения через дроссель L в нагрузку. При этом ток через дроссель растет, обеспечивая в нем накопление энергии. Когда транзистор VT1 закрывается накопленная в дросселе энергия расходуется создавая ток в цепи диода VD1 и нагрузки. Величина выходного напряжения определяется соотношением времени открытого и закрытого состояния транзистора VT1. В ИСН накопительного типа используется широтно-импульсная и частотно-импульсная модуляции. Очевидно, что в ИСН построенных по схеме рис. 4.33 выходное напряжение не может превышать входного. По такому принципу построены промышленные понижающие стабилизаторы типа TRS5211 в которых в качестве модулятора используют компаратор с петлей гистерезиса (рис. 4.34).

Рис. 4.34. Структура понижающего ИСН типа TRS5211

Частота работы модулятора этой схемы определяется из соотношения

где R_э – эквивалентное последовательное сопротивление цепи конденсатора С1; U_п – ширина петли гистерезиса компаратора.

Одним из основных недостатков таких схем является сильная зависимость частоты коммутации ключа от входного напряжения.

При проектировании низковольтных ИСН при сохранении больших мощностей применяют так называемые синхронные выпрямители, в которых диод заменяется или шунтируется параллельным ключем на МОП – транзисторе (рис. 4.35).

Рис. 4.35. Функциональная схема понижающего синхронного ИСН

В этой схеме устройство управления (УУ), называемое также контроллером реализует те же функции, что и ДРВ, МД, УО, СМ и ИОН в схеме на рис. 4.33 или модулятор с драйвером в схеме на рис. 4.34.

Как видно из рис. 4.35 транзисторы VT1 и VT2 открываются и закрываются в противофазе. Когда VT1 открыт ток в нагрузку от U_вх течет через дроссель, обеспечивая накопление в ней электрической энергии. Когда VT1 закрыт, а VT2 открыт, дроссель подключается параллельно нагрузке и отдает ей накопленную энергию.

Если по условию задачи требуется выходное напряжение выше входного, применяют повышающие ИСН (рис. 4.36).

Рис. 4.36. Структурная схема повышающего ИСН

Эффект повышения выходного напряжения обеспечивается использованием явления самоиндукции.

При подаче на вход схемы напряжения +U_вх ток через дроссель L растет, обеспечивая в нем накопление электрической энергии. Диод заперт, а ток нагрузки обеспечивается разрядом конденсатора С. Когда устройством управления (УУ) транзистор VT запирается, то напряжение на его коллекторе поднимается до величины большей входного за счет ЭДС самоиндукции дросселя L. Большим чем в нагрузке положительным напряжением со стороны дросселя диод VD открывается и энергия накопленная дросселем вместе с энергией входного источника будет через открытый диод обеспечивать ток нагрузки и заряд конденсатора, такой что U_вых> U_вх. Для такой схемы справедливо соотношение

.

Следует иметь ввиду, что приведенная пропорция справедлива, если ток в дросселе не достигает нулевых значений, а без нагрузки выходное напряжение может значительно возрасти, вплоть до неприемлемых значений. По схеме аналогичной 4.36 построена микросхема типа МАX856.

Аналогично схеме 4.35 для повышающих ИСН также используют синхронные схемы (микросхема МАХ1703 рис. 4.37).

Рис. 4.37. Функциональная схема повышающего синхронного ИСН

В этой схеме ток через дроссель L не прерывается. Когда VT2 открыт ток через дроссель снижается до нуля и даже меняет свою полярность, протекая от нагрузки в источник U_вх, поэтому такая схема не дает перенапряжения на холостом ходу.

Одной из составных частей ИСН (рис. 4.33), является драйвер, который представляет собой усилитель мощности схемотехника которого определяется типом и способами подключения силовых управляющих транзисторов. На рис. 4.38 в качестве примера приведены схемы простейших драйверов для управления биполярными транзисторами VT1.

Рис. 4.38. Электрические схемы простейших драйверов для управления биполярными транзисторами

К собственно драйверам относятся элементы R1. R2 и VT2.

В схеме на рис. 4.38 а при подаче управляющего напряжения транзистор VT2 открывается создавая отпирающий ток базы для VT1 переводя его в состояние насыщения. При запирании VT2 падением напряжения на резисторе R1 VT1 запирается. Для повышающего преобразователя (рис. 4.38б) удобнее в качестве драйвера использовать эмиттерный повторитель.

Для управления сложными преобразователями собственно драйвер обслуживается электронными схемами вспомогательной логики, преобразователей уровня, задержки и т.д. Вся эта схемотехника выпускается в виде специальных микросхем IR2121, IR2118, IR51HP420 и т.д.

Рассмотренные выше схемы импульсных стабилизаторов напряжения обычно дополняются входными и выходными фильтрами обеспечивающими подавление помех возникающих при коммутации силовых ключей. В качестве фильтров используют катушки индуктивности и конденсаторы.

Одним из распространенных вариантов фильтрации является последовательное соединение повышающего и понижающего преобразователей, которые содержат в своем составе требуемые фильтрующие элементы.