Импульсные стабилизаторы напряжения Общие сведения об импульсных стабилизаторах.

Преимуществами линейных стабилизаторов напряжения являются: простота, низкие пульсации выходного напряжения и шум, превосходные значения нестабильности по напряжению и току и быстрое время восстановления. Главным их недостатком является невысокая эффективность (КПД). Они имеют КПД приблизительно 40...55% за счет рассеивания мощности на регулирующем элементе. В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент работает в ключевом режиме, благодаря чему их КПД достигает 60...80%. Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Диапазон входных напряжений линейных источников питания обычно не превышает ±10% от номинального значения. Импульсные стабилизаторы способны работать в широком диапазоне входного напряжения.

Еще одним достоинством источников питания на основе импульсных стабилизаторов является значительное уменьшение массы и габаритов трансформатора и выходного фильтра за счет работы на повышенных частотах.

Импульсные стабилизаторы позволяют преобразовывать параметры напряжения, поэтому их также называют преобразователями.

Классификацию преобразователей можно поводить по различным признакам. По полярности выходного напряжения по отношению к входному различают инвертирующие, которые меняют полярность напряжения, и неинвертирующие преобразователи. По величине выходного напряжения различают повышающие и понижающие преобразователи. По схемотехническим признакам можно выделить прямоходовые и обратноходовые, одно и двухтактные преобразователи.

В зависимости от индуктивности дросселя, тока нагрузки, частоты преобразования все три типа импульсных преобразователей могут работать в режиме непрерывных или прерывистых токов протекающих через дроссель.

Рассмотрим основные схемотехнические решения, используемые при построении импульсных источников питания.

Обратноходовой преобразователь

Основная схема, по который выполнены многие маломощные импульсные стабилизаторы, - это обратноходовой преобразователь, показанный на рис. 8.6.

Рис.8.6. Схема однотактного обратноходового преобразователя.

Эта схема преобразует одно постоянное напряжение в другое, регулируя выходное напряжение посредством либо широтно-импульсной модуляции (ШИМ), либо частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). В обратноходовом преобразователе длительность открытого состояния транзисторного ключа VTбольше длительности закрытого состояния для того, чтобы большее количество энергии было запасено в трансформаторе и передано в нагрузку.

Обратноходовой преобразователь работает следующим образом. Ключевой транзистор VT, управляется схемой ШИМ-модулятора. КогдаVTоткрыт, ток в первичной обмотке трансформатора линейно увеличивается. В это время к диоду вторичной обмотки приложено запирающее напряжение и он закрыт. Когда транзисторVTзакрывается, магнитный поток в сердечнике трансформатора начинает уменьшаться, полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется и открывает диодVD. Это вызывает токI₂, текущий в цепи вторичной обмотки. ТокI₂заряжает конденсаторС, сглаживающий пульсации выходного напряжения. На рис.8.7 показаны импульсы токовI₁иI₂во время включенного и выключенного состояний ключевого транзистора. ТокI₁, течет во время включенного состояния, а токI₂во время выключенного и поддерживает постоянное напряжение на конденсатореС.

Рис.8.7. Формы токов и напряжений для обратноходового преобразователя.

Трансформатор в схеме обратноходового преобразователя фактически является дросселем с вторичной обмоткой и. в отличие от обычного трансформатора, накапливает в себе существенную энергию.

Сигнал обратной связи для управления модулятором может сниматься либо с выходной обмотки через цепь гальванической развязки, либо с дополнительной обмотки.

Выходное напряжение такого преобразователя определяется формулой

,

где I_1.max– максимальный ток первичной обмотки трансформатора;I₂– постоянный ток вторичной обмотки трансформатора;w₁,w₂– число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора;

Длительности импульса и паузы определяются исходя из максимального тока первичной обмотки и индуктивностей первичной и вторичной обмоток:

,

.

Коэффициент заполнения можно определить из выражения

.

Здесь L₁,L₂– индуктивности первичной и вторичной обмоток трансформатора;f_п– частота преобразования.

Максимальный ток первичной обмотки определяется требуемой выходной мощностью и может быть вычислен по формуле

,

где - КПД преобразователя.

При выборе регулирующего транзистора необходимо учитывать максимальное напряжение коллектор-эмиттер, определяемое соотношением

.

Данная формула не учитывает индуктивного броска напряжения при запирании транзистора. Для защиты транзистора от пробоя следует использовать различные блокирующие щепи.

Если выходная нагрузка увеличивается, необходимо только увеличить длительность включенного состояния транзистора VT, во время которого токI₁, достигнет более высокого значения, что создаст в результате больший токI₂:во вторичной обмотке во время выключенного состояния и, наоборот, при уменьшении нагрузки, токI₂уменьшает свое значение.

Осциллограммы на рис.8.7 показывают, что протекающий через первичную обмотку ток несимметричен. Вследствие этого трансформатор подмагничивается постоянной составляющей тока, что требует увеличения его габаритов. Для устранения подмагинчивания сердечник трансформатора должен выполнятся с воздушным зазором. Другим способом является перемагничивание трансформатора за счет включения параллельно одной из обмоток, например первичной, блокировочного конденсатора . При этом, когда транзистор закрывается конденсатор разряжается через первичную обмотку, перемагничивая сердечник током разряда.

Если выходное напряжение сравнить с опорным напряжением, а полученной разностью управлять ШИМ-модулятором, получается замкнутая петля обратной связи, а схема автоматически будет сохранять постоянное значение выходного напряжения.