12.2 Импульсные стабилизаторы напряжения

Принцип действия непрерывных ( линейных) стабилизаторов напряжения с последовательным регулирующим элементом состоит в том, что при изменении входного напряжения и/или тока нагрузки выходное напряжение стабилизатора ( напряжение на нагрузке) поддерживается постоянным за счёт изменения падения напряжения на регулирующем элементе. Разность между входным и выходным напряжениями падает на мощном регулирующем транзисторе и, в зависимости от схемы его включения и диапазона изменения входного напряжения может достигать нескольких вольт. Как следствие, при протекании тока нагрузки на этом транзисторе рассеивается довольно большая мощность. Это предопределяет относительно невысокий коэффициент полезного действия (КПД) линейного стабилизатора, который в случае низких напряжений стабилизации может падать ниже 50%.

Существенно больших значений КПД можно достичь, если вместо непрерывного регулирующего элемента между входным напряжением и нагрузкой включить импульсный коммутатор ( ключ), который циклически

(с определённым периодом повторения Т) переключается из разомкнутого (закрытого) состояния в замкнутое ( открытое ) и обратно. В этом случае среднее значение выходного напряжения на нагрузке будет определяться отношением длительности t_OPEN его открытого состояния к периоду повторения. Таким образом, меняя относительную длительность открытого состояния ключа, можно в широких пределах регулировать среднее напряжение на нагрузке. Если между коммутатором и нашрузкой включить соответствующий фильтр нижних частот, можно сгладить пульсации напряжения на нагрузке до необходимой величины.

При малом сопротивлении ключа в открытом состоянии ( в идеале оно может быть близко к нулевому), потери мощности на таком регулирующем элементе весьма малы, и на практике КПД может достигать 95% и более.

Источники питания с коммутаторами называются импульсными источниками питания, а если они осуществляют стабилизацию выходного напряжения, то импульсными стабилизаторами напряжения. По сравнению с непрерывными стабилизаторами напряжения импульсные источники обладают не только существенно более высоким КПД, но дополнительно позволяют получить:

• выходное напряжение больше входного,

• выходное напряжение обратной полярности по отноршению к входному,

• стабилизацию выходного напряжения при широком ( более 50%) диапазоне изменения входного,

• при выходной мощности в десятки и более ватт – существенно меньшие массу и габариты.

Недостатками импульсных источников являются:

• импульсный характер напряжений и токов в схеме, что обуславливает интенсивные помехи в нагрузке, в первичном источнике питания и в окружающем пространстве и требует применения сложных сглаживающих фильтров, тщательного экранирования и детальной проработки конструкции,

• определённые сложности с обеспечением устойчивости импульсных устройств с обратной связью,

• относительно большая ( по сравнению с непрерывными устройствами) длительность переходных процессов.

Классификация импульсных источников питания приведена на рис.12.11.

Рис.12.11. Классификация импульсных источников питания

Импульсные источники питания отличаются большим многообразием принципов построения и схемных решений. Они разделяются на две большие группы: с промежуточным накоплением энергии и без промежуточного накопления энергии.

Для импульсных источников питания с промежуточными накопителями характерна работа в два такта, в одном из которых происходит накопление энергии в индуктивной катушке ( дросселе) или конденсаторе, а во втором – передача энергии в нагрузку. Изготовить индуктивную катушку или конденсатор сравнительно большой ёмкости методами интегральной технологии не удаётся, поэтому все импульсные интегральные источники питания имеют внешние компоненты.

На рис.12.12 приведена схема понижающего импульсного стабилизатора напряжения (ИСН). Транзистор переключается от полностью открытого в полностью закрытое состояние с частотой в десятки, сотни килогерц или даже единицы мегагерц. Когда транзистор открыт, ток от первичного источника энергии через дроссель поступает в нагрузку. При этом ток I_L растёт и, как следствие, происходит накопление энергии в дросселе. Когда транзистор закрыт, ток I_L протекает через диод VD, продолжая питать нагрузку. При этом ток катушки уменьшается и энергия, накопленная в дросселе в предыдущем такте, расходуется на поддержание напряжения на нагрузке V_OUT. Соотношение открытого и закрытого состояний ключа определяет величину напряжения V_OUT.

Рис.12.12. Схема понижающего ИСН

На рис.12.13 представлена блок-схема устройства управления стабилизатором напряжения.

Рис.12.13. Блок-схема устройства управления

Устройство управления осуществляет сравнение выходного напряжения с опорным. Если Выходное напряжение уменьшается по сравнению с опорным, то модулятор устройства управления увеличивает отношение времени открытого состояния транзистора t_OPEN к периоду импульсов стабилизатора T, называемое относительной длительностью импульса

γ = t_OPEN/T .

При увеличении ( уменьшении V_OUT ) от номинального значения модулятор уменьшает ( увеличивает) значение γ. В отечественной литературе этот параметр называют также коэффициентом заполнения, а в английском обозначают термином duti cycle ( относительный рабочий интервал).

Принцип действия модулятора определяется законом модуляции. В импульсных стабилизаторах наиболее часто применяют широтно-импульсную или частотно-импульсную модуляции. Если регулируется время открытого состояния, то есть ширина импульсов, при постоянной частоте следования импульсов f = 1/T, то имеет место широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Если относительная длительность импульса γ регулируется путём изменения частоты следования импульсов при их неизменной длительности, то такая модуляция называется частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ).

В схеме на рис.12.12 выходное напряжение всегда ниже входного. Изменив расположение элементов в схеме, можно, используя свойство самоиндукции, получить выходное напряжение большее, чем входное (рис.12.14).

Рис.12.14. Схема повышающего ИСН

Когда транзистор VT открыт, к дросселю L приложено входное напряжение V_IN. В этом случае согласно закону электромагнитной индукции

V_IN = L(dI_L/dt) ,

и ток в дросселе будет расти, увеличивая запасаемую в нём энергию. К диоду VD будет приложено запирающее напряжение, и ток нагрузки будет поддерживаться за счёт разряда конденсатора С. После запирания транзистора потенциал на его коллекторе поднимается до величины, превышающей выходное напряжение, за счёт ЭДС самоиндукции дросселя. Диод откроется. Ток в дросселе при этом будет убывать, и его энергия, запасённая в первом такте, вместе с энергией, поступающей от первичного источника, будет питать нагрузку и заряжать конденсатор.

Регулировочная характеристика повышающего преобразователя ( при условии, что ток дросселя нигде не достигает нуля) описывается следующим соотношением

.

Примером интегральной микросхемы повышающего импульсного стабилизатора может служить микросхема MAX856 фирмы Maxim, преобразующая постоянное нестабилизированное напряжение от 0,8 до 6 В в постоянное напряжение 5 В при токе нагрузки до 100 мА. Кристалл, размером 2,1 х 1,5 мм в восмивыводном корпусе содержит устройство управления и коммутирующий МОП-транзистор. Диод, дроссель и конденсатор – внешние. КПД устройства при токе нагрузки в 40 мА достигает 85%. Ток, потребляемый самой микросхемой , составляет не более 25 мкА. Способ регулирования – ЧИМ, при частоте до 500 кГц. Устройство управления ограничивает входной ток величиной 0,5 А и контролирует напряжение первичного источника тока.

Схемы понижающего и повышающего преобразователей ( рис.12.12 и 12.14) являются базовыми для построения более сложных схем преобразователей. Простейшая составная схема, представляющая собой комбинацию этих двух преобразователей, представлена на рис.12.15.

Рис.12.15. Схема инвертирующего ИСН

В этой схеме регулирующий транзистор включён последовательно с первичным источником, как в схеме понижающего преобразователя, а диод, через который протекает ток при запертом транзисторе, - последовательно с нагрузкой, как у повышающего преобразователя. Когда транзистор VT открыт, диод VD закрыт, и к дросселю приложено входное напряжение V_IN. В этом случае согласно закону электромагнитной индукции ток в дросселе будет расти, увеличивая запасённую в нём энергию. Нагрузка питается за счёт разряда конденсатора С. Во втором такте, после запирания транзистора,

ток продолжает течь через дроссель и через открывшийся диод заряжает конденсатор в направлении, противоположном полярности входного напряжения. Получающаяся при этом регулировочная характеристика

Таким образом, на выходе инвертирующего импульсного стабилизатора напряжение не только имеет полярность, обратную полярности входного напряжения, но в зависимости от относительной длительности импульса может быть как больше, так и меньше входного.

Примером инвертирующего стабилизатора может служить микросхема MAX764 фирмы Maxim, преобразующая постоянное нестабильное напряжение 3…16 В в постоянное напряжение -5 В при токе нагрузки до 250 мА. Кристалл, размером 3,7 х 2 мм в восьмивыводном корпусе содержит устройство управления и коммутирующий МОП-транзистор. Диод, дроссель и конденсатор – внешние. КПД устройства при токе нагрузки в 200 мА достигает 80%. Ток, потребляемый самой микросхемой, составляет не более 90 мкА. Способ регулирования - ЧИМ, при частоте импульсов до 300 кГц. Устройство управления ограничивает входной ток величиной 0,75 А.