2. Импульсный стабилизатор напряжения понижающего типа
На рис. 1 изображена базовая схема импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа.
Рис. 1. Схема импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа
На вход схемы подается постоянное нестабилизированное напряжение VВХ. Стабилизатор понижающего типа состоит из следующих основных элементов: силового ключа КЛЮЧ, в роли которого обычно выступает биполярный или полевой транзистор; низкочастотного индуктивно-емкостногоL1–C1фильтра; разрядного диодаVD1; схемы управления С.У., которая осуществляет стабилизацию выходного напряжения. Рассмотрим принцип действия данной схемы. Период работы можно разбить на 2 этапа, как показано на рис. 2.
Этап 1 длится на протяжении отрезка времени t1и характеризуется замкнутым состоянием ключевого элемента. На верхнем графике рис. 2 показан сигнал управления ключом: есть импульс управления – ключ замкнут. Входное напряжениеVВХприкладывается к выводу индуктивностиL1, диодVD1заперт. Входной ток течет от источника к нагрузке через индуктивностьL1. На этом этапе изменение тока в дросселе можно представить так:dIL1 / dt = (VВХ – VВЫХ) / L1. Ток будет нарастать, так какVВХ > VВЫХ(рис. 2). При этом в дросселе увеличивается запас энергии, накапливаемой в виде магнитного поля.
Этап 2 наступает, когда ключ размыкается и занимает промежуток времени t2. Так как ток через индуктивность не может измениться мгновенно, он продолжает течь в нагрузку, замыкаясь через разрядный диодVD1. Изменение тока в дросселе можно вычислить по следующей формуле:dIL1 / dt = (–VВЫХ) / L1, т. е. ток будет падать (рис. 2).
Рис. 2. Временные диаграммы напряжений и токов понижающего стабилизатора
Таким образом, на этапе 2 энергия магнитного поля, запасенная в дросселе, будет передаваться в нагрузку.
Частота работы стабилизатора определяется
суммарным временем этапов:
.
Величина, равная отношению времени
открытого состояния ключа к периоду
переключения называется коэффициентом
заполнения (dutycycle):
.
Установим зависимость между коэффициентом заполнения γ и выходным напряжением стабилизатора. Процесс будем считать установившимся, номиналы емкостей и индуктивностей достаточно большими, величиныVВХиVВЫХ– постоянными. ТогдаVВЫХ = VВХ (t1 /T)илиVВЫХ = VВХ γ.Это следует из того, что в установившемся режиме среднее напряжение на индуктивности должно быть равно нулю. Поэтому средние напряжения, прикладываемые к правому и к левому выводам индуктивности, должны быть равны между собой.
При построении стабилизаторов выбор величин индуктивности и емкости определяется компромиссом между габаритами и стоимостью этих компонентов с одной стороны и допустимой величиной пульсаций в выходном напряжении стабилизатора с другой.
Изменяя коэффициент заполнения можно регулировать выходное напряжение практически от 0доVВХ. Понижающий стабилизатор позволяет получить выходное напряжение, которое всегда меньше входного. Это свойство и отражено в названии.
Из импульсного понижающего стабилизатора, переставив его элементы, можно сделать повышающий стабилизатор, чего в линейном стабилизаторе нельзя сделать в принципе.