1.4. Импульсный стабилизатор
Для увеличения КПД стабилизаторов, работающих при повышенных выходных токах, применяются стабилизаторы напряжения ключевого типа (см. упрощенную схему на рис. 6).
Транзистор VТ1 работает в ключевом режиме: либо полностью открыт (в насыщении), либо заперт (в отсечке). Ключевой режим работы регулирующего транзистора способствует значительному уменьшению рассеиваемой на нем мощности: когда транзистор насыщен, падение напряжения между коллектором и эмиттером сравнительно невелико (0,2… 2В), когда же заперт, ток коллектора очень мал (Iк = Ik0).
Рассмотрим принцип работы схемы.
Когда VТ1 открыт, диод VD1 заперт и ток в катушке индуктивности L1 увеличивается:
где U - напряжение, приложенное к индуктивности.
Ток через катушку индуктивности L1 поступает в цепь нагрузки и заряжает конденсатор С1, который соединен с инвертирующим входом усилителя, обладающего значительным коэффициентом усиления (1000 и более).
Выходное напряжение увеличивается (конденсатор С1 заряжается) до тех пор, пока оно не превысит опорное напряжение на прямом входе усилителя сигнала ошибки.
Большой коэффициент усиления усилителя способствует возникновению релейного режима работы схемы: незначительной превышение или уменьшение напряжения на инвертирующем входе усилителя по отношению к опорному напряжению (на 1…10 мВ) приводит к появлению значительного отрицательного или положительного напряжения на его выходе (примерно равного напряжению питания усилителя).
В рассматриваемом случае усилитель ошибки прекращает питать базу транзистора VТ1, и входное напряжение отключается. Энергия, запасенная в катушке индуктивности L1, служит причиной возникновения на ней импульса напряжения, имеющего отрицательную полярность. Этот импульс через открытый демпфирующий диод VD1 поступает в нагрузку и одновременно подзаряжает конденсатор С1. Таким образом, диод VD1 и конденсатор С1 служат для уменьшения амплитуды пульсаций тока нагрузки. Когда ток в катушке индуктивности упадет ниже уровня тока нагрузки, начинает разряжаться конденсатор С1, и величина выходного напряжения ( а значит и напряжения на инвертирующем входе усилителя ошибки) уменьшается.
В конечном итоге, когда напряжение на инвертирующем входе уменьшится до величины опорного напряжения и станет немного меньше, усилитель скачкообразно меняет свое состояние, включает транзисторный ключ (транзистор VТ1) и цикл повторяется.
Таким образом, выходное напряжение ключевого стабилизатора колеблется около напряжения
с амплитудой, которая зависит от чувствительности усилителя ошибки и отношения величин сопротивлений резисторов делителя R1 и R2.
Пульсации выходного напряжения иногда нежелательны, особенно при питании высокочувствительных электронных схем. Для уменьшения уровня пульсаций в составе ключевого стабилизатора применяют фильтры, однако они усложняют конструкцию и ухудшают коэффициент стабилизации схем.
Вместе с тем, высокий КПД ключевого стабилизатора, достигающий 0,9 и более, определяет наиболее целесообразное применение таких схем для питания низковольтной и энергоемкой цифровой аппаратуры.