4. Импульсные стабилизаторы

Это стабилизаторы, в которых РЭ работает в режиме ключа (включен или выключен, отсечка или насыщение, замкнут или разомкнут) благодаря чему КПД достигает 85…95% – основное их достоинство. Недостатки импульсных стабилизаторов: высокий уровень помех, пульсаций и шумов, что требует постановки дополнительных помехоподавляющих фильтров.

Импульсный стабилизатор состоит из следующих элементов: РЭ (транзисторного ключа VT), индуктивности (накопительного дросселя L), обратного диода (VD), конденсатора фильтра (С) и схемы управления. По способу построения силовой части импульсные стабилизаторы делят на три типа:

а) понижающие – с последовательным включением РЭ, дросселя и нагрузки;

б) повышающие – с параллельным включением РЭ и нагрузки;

в) инвертирующие – с параллельным включением дросселя и нагрузки.

В зависимости от метода стабилизации выходного напряжения (метод управления ключом) стабилизаторы различают:

• ШИМ – широтно- импульсно модулированные

• ЧИМ – частотно- импульсно модулированные

• релейные.

Метод формирования сигнала управления ключом поясняется эпюрами рис.4.21.

Если входное напряжение стабилизатора изменяется в пределах , то при ШИМ период остаётся постоянным, изменяется длительность импульса (t_И ), следовательно, изменяется и коэффициент заполнения

(4.20)

Рисунок 4.21 – Формирование сигнала управления ключом

Поскольку выходное напряжение равно

, (4.21)

то зависимость есть регулировочная характеристика импульсного регулятора.

При ЧИМ длительность импульса остаётся постоянной, изменяется период (Т), следовательно, изменяется и коэффициент заполнения. Для переменной частоты сложно строить сглаживающие фильтры, поэтому ЧИМ менее распространена по сравнению с ШИМ.

При релейном регулировании наиболее простая схема управления (триггер Шмитта!), но здесь обязательно наличие двух порогов (U_ПОР1 и U_ПОР2) и пульсация на выходе принципиально не может быть равна нулю. Переменными являются и частота и длительность, поэтому релейное регулирование используют для управления электрическими машинами.

На практике наиболее часто применяют ШИМ.

Рассмотрим работу импульсного стабилизатора. На рисунке 4.22 приведена схема понижающего регулятора (стабилизатор с разомкнутой цепью обратной связи) без схемы управления и эпюры, поясняющие его работу.

Рисунок 4.22 – Понижающий импульсный регулятор

В этой схеме выходное напряжение (U₀) всегда меньше входного, поскольку не существует элементов без потерь.

Когда ключ (VT) замкнут дроссель(L) заряжается, ток коллектора нарастает. Когда ключ размыкается, дроссель разряжается в нагрузку через открытый диод (VD). Индуктивность дросселя больше критической, поэтому ток в нём не спадает до нуля. Напряжение на нагрузке также не имеет провалов до нуля и его среднее значение согласно (4.21) равно

(4.22)

Рассмотрим повышающий регулятор. Его схема и эпюры приведены на рис.4.23а,б. Когда ключ (VT) замкнут, идёт заряд дросселя ( L ), входное

Рисунок 4.23 – Повышающий импульсный регулятор

напряжение уравновешивается ЭДС самоиндукции дросселя (е_L). Когда ключ размыкается, е_L меняет знак на противоположный, чтобы поддержать падающий ток дросселя и, суммируясь с U_ВХ, дроссель разряжается на конденсатор С. Напряжение на нагрузке превышает входное. Если суммарные потери в элементах стабилизатора не превышают 10% от мощности в нагрузке, то выходное напряжение (4.23)

Схема потребляет от источника практически постоянный ток и не создаёт обратную помеху в сеть.

Рассмотрим инвертирующий регулятор. Его схема и эпюры приведены на рис.4.24а,б.

Рисунок 4.24 – Инвертирующий импульсный регулятор

Когда ключ (VT) замкнут, идёт заряд дросселя (L), входное напряжение уравновешивается ЭДС самоиндукции дросселя (е_L). Когда ключ размыкается, е_L меняет знак на противоположный (полярность показана на рисунке) и дроссель разряжается на конденсатор С. Если общие потери в элементах не превышают 10% от мощности в нагрузке, то выходное напряжение

(4.24)

Схема управления импульсным регулятором приведена на рис. 4.25 и включает в себя следящий делитель(R₁ R₂), эталонный источник (U_ЭТ), усилитель сигнала рассогласования (DA1), генератор пилообразного напряжения (U_ГПН) и широтно-импульсный модулятор (ШИМ – DA2). Последний формирует дискретный сигнал управления ключом, модулированный по длительности сигналом рассогласования (U_У). Схема управления состоит из таких же функциональных элементов, как и в непрерывном стабилизаторе, но дополнена широтно-импульсным модулятором.

Рисунок 4.25 – Схема управления импульсным регулятором

Для импульсных стабилизаторов справедливо основное уравнение (4.18), в котором коэффициент передачи следящего делителя равен

(4.25)

Коэффициент передачи усилительного элемента (DA1)

(4.26)

Коэффициент передачи регулирующего элемента заменяется произведением коэффициента передачи ШИМ и коэффициента передачи силового ключа (К_И)

, (4.27)

где U_ВХ – входное напряжение стабилизатора,

U_ПМ – размах пилообразного напряжения.

Тогда петлевое усиление (4.15) принимает вид

, (4.28)

где - КПД сглаживающегоLCD – фильтра (3.27).

Из (4.28) следует, что при входных напряжениях десятки вольт и размахе пилы в схеме управления единицы вольт петлевое усиление в импульсных стабилизаторах в десятки раз может превышать петлевое усиление непрерывных стабилизаторов. Значит и коэффициент стабилизации по напряжению у них выше.

(4.29)

Схемы управления импульсными стабилизаторами выпускается в виде контроллеров – К142ЕП1, К1114ЕУ1, К1114ЕУ3 и др.

Основная сложность при проектировании импульсных стабилизаторов – обеспечение низких пульсаций на выходе. Напряжение на входе LCD – фильтра имеет вид прямоугольных импульсов (рис.4.26).

Рисунок 4.26 – Напряжение на входе LCD – фильтра

Найдём первую гармонику этой последовательности путём разложения в ряд Фурье.

, (4.30)

где - коэффициент заполнения,k – номер гармоники.

Полагая k = 1, находим

(4.31)

Зная амплитуду первой гармоники и постоянную составляющую, то есть коэффициент пульсаций на входе фильтра, находят требуемый коэффициент сглаживания и далее элементы фильтра.