Импульсные стабилизаторы напряжения
«+»: высокий КПД; малые габариты и масса; малое теплообразование.
«−»: импульсные помехи (синфазные и противофазные); длительные переходные процессы; входное отрицательное дифференциальное сопротивление (при повышении тока – уменьшение напряжения)
Базовые схемы:
•Преобразователь с понижением напряжения;
•Преобразователь с повышением напряжения;
•Инвертирующий преобразователь.
1. Преобразователь с понижением напряжения
Регулирующий ключ работает в импльусном режиме, подавая напряжение импульсами на накапливающий энергию дроссель, который выступает как
сглаживающий LC-фильтр.
= ( / )= +
61
Коэффициент заполнения – /. Увеличение коэффициента заполнения приводит к увеличению и наоборот. Смотри рисунки.
Стабилизация с понижением напряжения
Всегда VOUT < VIN,
•Если уменьшается VOUT => увеличивается ton => дополнительный заряд на С => увеличение VOUT.
62
•Если увеличивается VOUT => уменьшается ton => разрядка С => понижение VOUT.
2. Преобразователь с повышением напряжения
Транзисторный ключ Q1 заземлен. Дроссель не является элементом фильтра. Регулировка выходного напряжения происходит изменением
времени включения Q1.
63
Стабилизация с повышением напряжения
При включении Q1 на L индуцируется VIN с полярностью и снижается от начального максимума, D1 принимает обратное смещение (чем дольше включен Q1, тем меньше VL), C очень мало разряжается через нагрузку.
При выключении Q1 на L индуцируется обратное V и снижается от начального максимума, D1 принимает прямое смещение, заряжая С до V > VIN
(обусловлено индукцией на L). Такие регулярные воздействия на ton
повторяются.
3. Инвертирующий преобразователь
Цепь D1, R, C подключена параллельно дросселю, а не параллельно ключу.
64
Воспроизводит выходной напряжение обратной полярности по отношению ко входному. Амплитуда пульсация тем меньше, чем больше емкость конденсатора (дроссель не является элементом фильтра).
Инвертирующее воздействие на выходное напряжение
Включение Q1 => увеличение напряжения на L до VIN – VCE(sat). D1 смещен обратно => снижение напряжения на L от начального максимума.
Выключение Q1 => реверсия напряжения на L. D1 смещен прямо => зарядка С и возникновения –VOUT.
Циклы включения-выключения Q1, вызывают повторяющиеся зарядку и разрядку С, которые сглаживаются LC-фильтром.
65
Стабилизация напряжения инвертирующим преобразователем
При попытке уменьшить –VOUT следом уменьшается ton, увеличивается VL, что компенсирует попытку снижения –VOUT.
При попытке увеличения –VOUT следом повышается ton, понижается VL, что компенсирует попытку повышения –VOUT.
Выводы
•Рассмотрели распространенные базовые схемы ИЭП
•Отметили их достоинства, недостатки и возможные усовершенствования базовых схем
66
Лекция 10
Аналоговые коммутаторы
Класс D усилителей
Выходные транзисторы работают в ключевом режиме в ответ на управляющий аналоговый входной сигнал, а не работают линейно в непрерывном диапазоне входных значений (эффективность ~90%)
МОП-транзистор (транзистор с изолированным затвором, MOSFET) –
управляются напряжением, так как, по причине изолированного затвора обладают очень высоким входным сопротивлением.
Широтно-импульсная модуляция
Входной
сигнал
ШИМ
ШИМ – входной сигнал преобразуется в последовательность импульсов с длительностью импульса, изменяемой пропорционально амплитуде входного сигнала.
Длительность импульса тем больше, чем больше положительная амплитуда и меньше, чем больше отрицательная амплитуда.
67
Выходной сигнал – меандр, если выходной сигнал равен 0.
Базовая схема ШИМ
Компаратор, когда напряжение на инвертирующем входе больше, чем на неинвертирующем, переключается в отрицательное насыщенное выходное состояние и наоборот.
Вход – малый сигнал (мВ), выход – большой сигнал (±12 мВ).
Частотный спектр ШИМ
68
finput – частота входного синусоидального сигнала; fm – частота модулирующего треугольного сигнала
Результирующий спектр содержит finput, основную частоту fm выходного сигнала и частоты гармоник выше и ниже основной частоты fm
fm>> finput
Самая низкая частотная гармоника треугольного сигнала значительно выше диапазона частот входного сигнала.
Комплементарный каскад МОП-транзисторов
Комплементарная пара – последовательная пара n- и p- МОП-
транзисторов (постоянное сопротивление не зависит от направления тока)
Q1 on: PDQ = VQ1IL = (0 В)IL = 0 Вт
Q2 on: PDQ = VQ2IL = VQ2(0 А) = 0 Вт
Pout = 2VQIL
ФНЧ для ШИМ
69
LC-фильтр
ПП такова, что ФНЧ удаляет модулирующую частоту fm и гармоники и
пропускает на выход только исходный сигнал.
Выходной сигнал усилителя D-класса
3 этапа усиления аудио-сигнала:
1)Генерация ШИМ-сигнала на выходе модулятора – усиление напряжения;
2)Усиление ШИМ-сигнала в МОП-паре – усиление мощности;
3)Фильтрация ШИМ-сигнала для выделения усиленного аудио-сигнала с достаточной мощностью для динамика.
70