16.4.2.3 Импульсный стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения, регулирующий элемент которого работает в импульсном режиме, называется импульсным стабилизатором напряжения. В качестве РЭ обычно используются мощные биполярные транзисторы, транзисторы типа IGBT, а также тиристоры.

а б в

Рис. 212

Принцип действия импульсного стабилизатора напряжения заключается в преобразовании регулирующим элементом - транзистором (на рис. 212,аэто идеальный ключS) напряженияU_п постоянного тока первичного источника (рис. 212,б) в последовательность периодических однополярных импульсов прямоугольной формы (напряжение U_Н) на сопротивлении нагрузкиR_Н (рис. 212, в).

Работа регулирующего транзистора в режиме ключа дает возможность получить с его выхода однополярные импульсы прямоугольной формы. На рис. 212, в обозначено: t_и- время импульса или время замкнутого состояния ключа, а в реальных схемах это время открытого состояния транзистора;t_п– время паузы или время разомкнутого состояния ключа, а в реальных схемах это время закрытого состояния транзистора;T – период работы ключа.

Среднее значение напряжения на нагрузке связано с напряжением первичного источника следующем соотношением

U_Н= (t_и / T) U_п= К_З U_п,

где К_З=t_и / T– коэффициент заполнения импульсов или относительное время замкнутого состояния ключа. Так как периодT связан с частотой переключения f формулой T = 1/ f, то можно представить коэффициент заполнения импульсов в виде К_З=t_и f и, следовательно,

U_Н=t_и f U_п.

Таким образом, как это следует из приведенных выше уравнений, регулирование напряжения U_Н может осуществляться:

• изменением времени открытого (или закрытого) состояния регулирующего элемента при постоянной частоте коммутации f– этот способ называют способом широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

• 

  Рис. 213

  изменением частоты коммутации регулирующего элемента при постоянной длительности импульсов, или частотно- импульсной модуляции (ЧИМ);

• используется также способ, который называют с релейными или с двухпозиционным регулированием.

В схемах импульсных стабилизаторов напряжения на практике на выходе ключа устанавливают сглаживающие LCфильтры, а вместоS– транзистор, работающий в ключевом режиме (см. рис. 174).

Схема импульсного стабилизатора напряжения состоит из силовой части (силового контура) и системы управления. Силовая часть (рис. 213, а) включают всебя: VT–регулирующий транзистор; VD – блокирующий диод; L и C – индуктивность дросселя и емкость конденсатораГ-образного пассивного сглаживающего фильтра. Регулирующий транзистор управляется импульсами U_су, вырабатываемыми системой управления (СУ), подключенной параллельно сопротивлениюR_н. На вход силовой части ИСН подается напряжение питанияU_п, а с нагрузкиR_н- снимается напряжениеU_н.

Принцип действия понижающего ИСН показан на рис. 213 а, а временные диаграммы, поясняющие рассматриваемые процессы в ИСН при принятых допущениях, приведены на рис. 213б.

При подаче управляющего импульса U_суна входVTсиловой транзисторный ключ полностью открывается и через него происходит (в интервале времениt_и) передача энергии от источника питанияU_пв нагрузку, а также накапливается реактивная энергия в дросселе (протекает токi_l)Lи конденсаторе C.При размыкании ключа, когда транзистор полностью закрыт (на интервале паузыt_п управляющего сигнала) накопленная энергия дросселя передается через диодVD в нагрузку. Если на интервале паузы ток дросселя спадает до нуля, то ток в нагрузке поддерживается за счет разряда конденсатора. Таким образом, напряжение на нагрузке получается сглаженным (рис. 213,б).

На рис 214, апоказана силовая часть РУ – регулирующее устройство (регулирующий элемент); НЧ и НЗ включают в себя элементы фильтраLCи диодVD(рис.213а); Н – нагрузка. Ниже этих элементов представлена структурная схема системы управления, в которую входят: делитель выходного напряжения (ДН), с нижнего плечакоторого снимается часть напряжения К_дU_н = U_н^' это и есть информация о напряжении на нагрузке (К_д – коэффициент передачи делителя); источник опорного напряжения U_оп (ИОН). В результате сравнения(1 - первое устройство сравнения) этих двух напряжений выделяется сигнал рассогласования ε =U_н^' –U_оп, который в дальнейшем поступает на усилитель постоянного тока и усиливается до значения ε_у=К_У (К_дU_н –U_оп), гдеК_У коэффициент передачи усилителя. Все изложенное в этом абзаце полностью совпадает с аналогичной цепью обратной связи линейного стабилизатора напряжения (см. параграф 16.4.2.1)

На практике часто используется система управления (рис 214, а), построенная по способу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), когда частота следования импульсов управления регулирующим транзистором постояннаf=const(T=const), а изменяется их относительная длительность К_З=t_и / T(т.е. изменяетсяt_и ) в зависимости от величины сигнала рассогласования ε_у. В качестве широтно-импульсного модулятора может использоваться компаратор (2 – второе сравнивающее устройство).

а б

Рис. 214

В этом случае на его первый вход подается сигнал рассогласования (т.е. сигнал, который несет информацию о напряжении на нагрузке ε_у), а на второй вход компаратора подается напряжение пилообразной формыu_пил(амплитуда и частота которого постоянны). Это напряжение поступает от генератора пилообразных напряжений (ГПН), который в свою очередь, управляется со стороны задающего генератораu_зг (ЗГ, его частота импульсовf=const). В результате сравнения этих двух сигналов (u_пил и ε_у) на выходе компаратора формируется ШИМ-сигнал прямоугольной формы (рис. 214,б). Он равен «1», если уровень пилообразного напряжения больше уровня напряжения ε_у. Этот импульс прямоугольной формыU_су=U_унепосредственно подается на вход регулирующего элемента – транзистора или через импульсный усилитель (ИУ).

При уменьшении входного напряжения U_п, увеличивается площадь между уровнем напряжения «пилы» и ε_у, т.е. увеличивается по длительностиt_и ШИМ-сигнал (справа на рис. 214,б) и среднее значение напряжения на выходе (на нагрузке) увеличиваетсяU_Н= (t_и / T) U_п, т.е. восстанавливается до своего номинального значения (остается стабильным определенной степенью точностью).

В рассматриваемой схеме среднее значение выходного напряжения будет всегда меньше среднего значения входного напряжения U_п(в схеме ИСН без потерьU_н.ср =U_п.ср). Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения, у которыхU_н <U_п, называются понижающими.

В настоящее время для управления регулирующим транзистором применяются интегральные микросхемы – КР142ЕП1, КР1156ЕУ2, КР1033ЕУ15, 1151ЕУ1, US3842N,LAS6380 и многие другие отечественные и зарубежные.

Рис. 215

В качестве примера на рис. 215 приведена схема понижающего импульсного стабилизатора напряжения с использованием микросхемы импульсного управления типаMA 78S40.

В микросхеме расположены также два элемента силовой части ИСН: регулирующий транзистор и блокирующий диод.

Использование импульсного режима работы регулирующего транзистора, который периодически переключается из режима насыщения в режим отсечки, приводит к тому, что резко уменьшается мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором, значительно повышается КПД ИСН (он может достигать значений 0,7...0,95), в результате чего уменьшается масса и габариты теплоотводящих устройств. Если к этому еще добавить и широкие возможности микросхем импульсного управления, то в ближайшембудущем импульсные стабилизаторы напряжения займут доминирующее положение в источниках вторичного электропитания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Силовая энергетическая электроника в значительной степени определяют надежность и конструктивные характеристики большей части электронной аппаратуры электротехнических систем. К примеру, наработка на отказ почти любой аппаратуры на 50 % определяется наработкой на отказ источников вторичного электропитания.

Одним из главных направлений развития силовой электроники является создание мощной элементной базы. В последнее время на рынке появились:

• мощные выпрямительные диоды с обратным напряжением до 1200 В;

• силовые модули на основе тиристоров и диодов с обратным напряжением до 1200В и прямым током до 100 А;

• мощные биполярные р-n-р и n-р-n транзисторы с областью рабочих напряжений до 800 вольт и составные транзисторы Дарлингтона до 500 В;

• интегральные схемы маломощных и мощных стабилизаторов напряжения с выходными токами до 3 А и встроенными защитами от короткого замыкания и перегрева, в т. ч. с низким проходным напряжением;

• высоковольтные интегральные схемы для управления сетевым напряжением до 400 В;

• интегральные схемы управления импульсными источниками питания с частотой коммутации до 1 МГц;

• специализированные микросхемы автомобильной электроники для управления зажиганием, инжекторным питанием и другими системами автомобиля;

• специализированные микросхемы для цифровых телефонных станций;

• специализированные транзисторы и микросхемы для нужд оборонной промышленности.

Следует особо подчеркнуть, что в последние годы созданы уникальные мощные транзисторы типа IBGT, а также мощные MOSFET транзисторы. На сегодняшний день IBGT как класс приборов силовой электроники занимает, и будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. В настоящее время транзисторы IGBT выпускаются, как правило, в виде модулей в прямоугольных корпусах с односторонним прижимом охлаждением и таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением. В модулях IGBT драйверы (системы управления) непосредственно включены в их структуру. "Интеллектуальные" транзисторные модули (ИТМ), выполненные на IGBT, также содержат "интеллектуальные" устройства защиты от токов короткого замыкания, системы диагностирования, обеспечивающие защиту от исчезновения управляющего сигнала, одновременной проводимости в противоположных плечах силовой схемы, исчезновения напряжения источника питания и других аварийных явлений. В структуре ИТМ на IGBT предусматривается в ряде случаев система управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) или однокристальная ЭВМ. Во многих модулях имеется схема активного фильтра для коррекции коэффициента мощности.

Совершенствование схемотехники линейных стабилизаторов напряжения.

Непрерывные (линейные) стабилизаторы широко используются на практике во всех сферах электронной индустрии: в различных областях промышленности, устройствах связи, для питания систем электроприводов, на транспортных средствах, в телекоммутационной, военно-космической, компьютерной технике, в бытовых приборах и в других случаях, когда требуется высокое качество напряжения для потребителей.

Непрерывные стабилизаторы напряжения (НСН) развивались и продолжают совершенствоваться в следующих направлениях.

1. Разрабатываются источники с широким диапазоном токов и напряжений, охватывающие всю область, в которой целесообразно применять НСН. Эта область ограничивается выходными токами примерно до 3 А и напряжениями до 40 В. При больших значениях токов и напряжений применение находят импульсные источники питания.

2. Стремление получить источники с различными напряжениями (помимо стандартных значений) приводит к разработке НСН с регулируемым напряжением и с различными уровнями выходных токов (в таких источниках делитель напряжения вынесен за пределы микросхемы).

3. В микросхемы вводятся дополнительные элементы защиты (термо-выключатель, блок защиты от токовых перегрузок и т.п.), формирователь сигнала о появлении напряжения на выходе усилителя рассогласования, который подается на вход микропроцессора в качестве сигнала RESET.

4. Усиленно ведутся разработки по снижению падения напряжения на стабилизаторе (напряжение «вход  выход», так называемых LOW DROP стабилизаторов). Это особенно важно при питании НСН от низковольтных переносных или бортовых батарей.

5. Одним из направлений совершенствования конструктивного исполнения микросхем является применение корпусов, предназначенных для поверхностного монтажа, эффективно использующего поверхность печатной платы для теплоотвода. Такое корпусирование позволяет осуществить миниатюризацию НСН для бортового применения.

6. Новую возможность для совершенствования стабилизаторов напряжения дает появление полевых транзисторов с очень малым сопротивлением канала в открытом состоянии (сегодня возможности схемотехники с биполярным транзистором с его p-n переходом кажутся уже исчерпанными). Микросхемы на таких транзисторах имеют падение напряжения порядка 0,2 В при максимальном рабочем токе и очень небольшом собственном потреблении .

7. В связи с развитием автомобильной электроники появились много-канальные стабилизаторы положительного напряжения для питания микропро-цессорных устройств (например,TDA8138, L4936, 1156ЕН3, 1156ЕН2 и др.).

В качестве примера LOW DROP стабилизаторов положительного напряжения можно привести ИС типа L4925, которая представляет из себя однокристальный стабилизатор напряжения на 5 В. Микросхема характеризуется малым падением напряжения «вход  выход», а также дополнительными функциональными возможностями, такими как выдача сигнала установки в исходное состояние (выходного сигнала сброс RES OUT) при подаче напряжения питания и программируемая задержка сигнала сброса. Эта интегральная схема (ИС) стабилизатора предназначена для применения в ИВЭП систем с микропроцессорным управлением, преимущественно в автомобильном транспорте.

Микросхемные непрерывные стабилизаторы строятся для получения как положительных, так и отрицательных напряжений питания. При этом на выходе таких стабилизаторов можно получить регулируемое или фиксированное, а также двуполярное стабилизированное напряжение, которое требуется для потребителя электрической энергии.

Схемотехника импульсных преобразователей

В последнее время технология ИВЭП вылилась не только в получении компактных твердотельных устройств. Она в основном продвинулась от использования линейных источников питания к современным импульсным источникам питания, которые не только меньше и легче, но также намного эффективнее. Линейные источники питания используют обычный трансформатор питания 50\60 Гц, совместно с выпрямителем, фильтром и линейным стабилизатором. Эти все еще широко используемые источники, имеют КПД приблизительно 40…55 %. Импульсные источники питания имеют КПД значительно выше 60…80 % и более. Импульсные источники питания непосредственно выпрямляют и фильтруют напряжения сети переменного тока без использования первичного трансформатора при 50\60 Гц. Полученный в результате этого постоянный ток фильтруется и коммутируется мощным ключом, а затем преобразуется высокочастотным трансформатором, и, наконец, выпрямляется и фильтруется снова. При этом, для достижения высоких удельных показателей (отношение выходной мощности к единице объема, массы, стоимости) импульсных ИВЭП используется комбинация различных методов, что позволяет уменьшить размеры элементов, сохраняющих энергию, типа катушек индуктивности и конденсаторов. Размеры трансформаторов и фильтров также уменьшаются с увеличением частоты переключения (по сравнению с их 50/60Гц эквивалентом).

При изготовлении современных ИВЭП, используются технологии поверхностного монтажа и новые материалы подложек типа толстых пленок, керамические гибридные материалы и изолированные металлические подложки. Компоненты, предназначенные для технологии поверхностного монтажа, значительно меньше по размерам, чем их варианты монтажа в отверстия: использование новых типов подложек решает проблемы отвода тепла от источников высокой температуры.

Удельная (по объему) мощность импульсных ИВЭП, выполненных по новейшим технологиям, достигает 2000…5000 Вт/дм³. Однако использование более высоких частот предполагает некоторые проблемы. Они связаны с паразитными элементами схемы и другими явлениями, которые становятся более заметными при увеличении частоты переключения.

На сегодняшний день имеется три типа импульсных электронных устройств, использующихся в качестве источников питания.

Силовое электронное устройство, преобразующее напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, называется преобразователем типа АС/DC (выпрямитель).

Силовое электронное устройство, преобразующее напряжение постоянного тока одного уровня в напряжение постоянного тока требуемого уровня, называется преобразователем типа DC/DC (конвертор).

С

иловое электронное устройство, преобразующее напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока (чаще прямоугольной формы), называется преобразователем типаDC/AC (инвертор). На рис.1 приведена условная классификация импульсных источников вторичного питания, которая должна в известной мере облегчить понимание изложенного в дальнейшем материала.

Преобразователи типа AC/DC. Однокристальные переменного и постоянного тока преобразователи применяются обычно в недорогих системах. Они подключаются к сети переменного тока и потребляют небольшой ток (до 100 мА). Обычно к таким ИВЭП не предъявляются высокие требования к качеству напряжения, подаваемого к потребителю. Основной недостаток подобных устройств – это отсутствие гальванической развязки выходного напряжения от напряжения сети. Как правило, переменного и постоянного тока преобразователи обеспечивают одно, максимум два выходных напряжения, что иногда затрудняет их использование в источниках питания. В последнее время появились приборы обеспечивающие выходной ток до 1,5 А, что позволяет значительно расширить сферу их применения.

Преобразователи типа DC/DC. ИВЭП на базе подобных преобразователей, выполненных на интегральных микросхемах, широко используются на практике для питания различных потребителей.

На вход таких преобразователей (конвекторов) обычно подается напряжение от бортсети постоянного тока или от автономного источника. В качестве источника питания может служить и сеть переменного тока (в этом случае переменное напряжение в начале преобразуется в постоянное – AC/DC). Такое напряжение, как правило, нестабилизированное и имеет большую шумовую компоненту.

Входное напряжение конвектора может иметь стандартное значение или стандартные значения или быть любого другого номинала и полярности.

Если в качестве первичного источника используется аккумуляторная батарея, то типичные значения напряжения обычно равны: 1,5; 3,0; 3,6; 4,5; 9; 12; 24; 48 В постоянного тока, причем каждый номинал используется для определенных потребителей.

Однако, напряжение батареи может изменяться в широких пределах. Например, напряжение двенадцати вольтовой аккумуляторной батареи транспортного средства может подниматься до 15 В или выше во время зарядки и опускаться до шести вольт при запуске двигателя. В таком случае для питания электронных устройств используется конвертор, чтобы из изменяющегося входного напряжения получить требуемый номинал выходного напряжения с необходимой стабильностью.

Импульсные источники питания становятся популярными из-за высокой эффективности и высокой удельной мощности. питания. Нестабильность по напряжению и току обычно лучше у линейных источников питания, иногда на порядок величины. По этой причине в импульсных ИВЭП с большим количеством выходов для питания потребителей небольшой мощности, для которых требуется высокое качество напряжения, в один или несколько каналов включают линейные (непрерывные) стабилизаторы напряжения.

Пиковые значения выходных пульсаций импульсных источников питания находятся в диапазоне 25…100 мВ, что значительно больше, чем у линейных источников питания. Необходимо заметить, что для импульсных источников питания значения пульсации выходного напряжения нормируются от пика до пика, в то время как для линейных источников в среднеквадратичных значениях. Импульсные источники питания также имеют большую длительность переходных процессов, чем линейные, но имеет немного большее время удержания, что является очень важным в компьютерных применениях.

Наконец импульсные источники питания имеют более широкий диапазон входных напряжений. Диапазон входных напряжений линейных источников питания обычно не превышает ±10 % от номинального значения, что имеет прямое значение на КПД. У импульсных источников питания влияние диапазона входного напряжения ±20 % на КПД очень незначительное или вообще отсутствует. Таким образом, импульсные ИВЭП предпочтительнее использовать при значительных изменениях напряжения сети.

309