Лабораторная работа № 6 исследование импульсного понижающего стабилизатора напряжения

Цель работы: изучение принципа работы и свойств импульсного понижающего стабилизатора напряжения

Работа выполняется в системе моделирования MicroCAP.

Время выполнения 2 часа

1. Импульсный стабилизатор с понижением напряжения

Структурная схема понижающего стабилизатора и временные диаграммы его работы показана на рис.1. Выходное напряжение пропорционально отношению времени транзистора во включенном состоянии t_откр к периоду коммутации Т и равно

(1)

Транзистор VT переключается с частотой несколько десятков килогерц. Для простоты рассуждений будем считать, что величина емкости настолько большая, что изменением выходного напряжения можно пренебречь, т.е. U_вых = const.

Когда транзистор включен, ток протекает через катушку индуктивности, конденсатор С и нагрузку. Напряжение на катушке индуктивности будет равно

U_L= U_вх – U_{кэ нас} – U_вых  U_вх – U_вых = const.

Ток индуктивности возрастает линейно во времени т. к. скорость изменения тока индуктивности I/t = U_L/L = const. Приращение тока индуктивности за время t_откр, когда транзистор открыт, будет равно

IL = (UL/L)tоткр = (Uвх – Uвых) tоткр / L.

(2)

Когда транзистор закрывается, вследствие самоиндукции меняется полярность напряжения на концах индуктивности. Диод VD смещается в прямом направлении и катушка индуктивности за счет запасенной энергии становится источником питания нагрузки. В течение времени t_закр , когда транзистор закрыт, напряжение на индуктивности будет равно U_L= - U_VD – U_вых  - U_вых. Ток индуктивности снижается линейно, т. к.

I/t = UL/L = - Uвых / L = const.

Уменьшение тока индуктивности за время t_закр будет равно

IL = (UL/L)tзаккр = Uвых tзаккр / L.

(3)

Изменение тока индуктивности, протекающего в течение времени t_откр, должно быть таким же, как и в течение времени t_заккр. Приравнивая значения изменения тока индуктивности, из формул (2) и (3) получим

ΔIL = (Uвх – Uвых) tоткр / L = Uвых tзакр / L.

(4)

Отсюда находим величину выходного напряжения

Uвых. = Uих tотер /( tотер + tакр) = Uих (tотер )/ Т,

(5)

где Т = t_откр + t_закр – период следования управляющих импульсов.

Напряжение на выходе прямо пропорционально времени, в течение которого транзистор открыт и не зависит от выходного тока, пока . Такой режим работы называется режимом непрерывного тока (РНТ). Это означает, что когда транзистор VT закрыт, ток индуктивности не снижается до нуля (рис. 2).

Выходной ток будет равен I_вых = I_{L max} – (1/2)I_L.

Схема ведет себя по другому, когда выходной ток . В этом случае при разомкнутом ключе ток индуктивности снижается до нуля, диод закрывается, напряжение на индуктивности становится равным нулю. Выходной ток поддерживается зарядом емкости

I_вых. = I_С.

Временные диаграммы работы схемы показаны на рис. 3. Такой режим работы схемы называется режимом с разрывным током (РРТ).

Выбор величины индуктивности.

По возможности величину индуктивности выбирают такой, чтобы при закрытом транзисторе ток индуктивности не уменьшался до нуля, т.е. схема работала в режиме непрерывного тока (РНТ). Из рис. 2 видно, что максимальный ток индуктивности определяется по формуле

I_Lmax = I_вых + (1/2)ΔI_L.

Величину изменения тока индуктивности можно задать как

ΔIL = LIR·Iвых max,

(6)

где LIR - коэффициент тока дросселя, выраженный как процент от выходного тока I_вых. Например, при выходном токе 1А и размахе пульсаций (ΔI_L) тока индуктивности 300 мА коэффициент тока дросселя LIR будет равен 0,3. Коэффициент LIR = 0,3 дает хорошее соотношение между КПД схемы и реакцией на изменение нагрузки. Повышение пульсаций тока индуктивности, а, следовательно, и LIR улучшает динамику переходных процессов, а уменьшения пульсаций тока – снижение LIR - приводит к замедлению переходных процессов [2].

Согласно выражению (4) изменение тока индуктивности равно

.

(7)

Подставляя в (5) значение t_откр, выраженное из (1) получим

.

Отсюда находим величину индуктивности учитывая, что ΔI_L = LIR·I_{вых max}

.

(8)

Для получения малой величины индуктивности выбирают как можно более высокую частоту переключения транзистора. Однако с увеличением частоты переключения возрастают затраты на реализацию схемы управления, а также увеличиваются динамические потери. По этому обычно используется частота переключения от 10 до 200 КГц.

Выбор величины емкости

В реальной схеме при конечной величине емкости конденсатора на выходе будут наблюдаться пульсации напряжения ΔU_вых. Пульсации обусловлены током емкости

I_C = I_L - I_вых.

Если учесть, что , то периоды заряда и разряда конденсатора соответствуют площадям заштрихованной области на рис. 2. Так как конденсатор должен обеспечивать током I_вых в течение времени, равного и максимальное значение тока, отдаваемого в нагрузку равно , то величина пульсаций будет равна (рис. 4)

Отсюда находим величину емкости конденсатора

(9)

Здесь ΔU_вых – это амплитудное значение напряжения пульсаций. На практике часто удобнее использовать размах пульсаций, тогда формула (9) примет вид

(10)

где ΔU_вых – размах пульсаций напряжения на выходе.