2.4. Імпульсні стабілізатори постійної напруги

В імпульсних стабілізаторах напруги (ІСН) регулюючий елемент (транзистор) працює в режимі перемикання. В цьому є основна відмінність їх від стабілізаторів неперервної дії.

В режимі перемикання робоча точка транзистора більшу частину періоду комутації знаходиться в області насичення або відсічки, а активний режим проходить з високою швидкістю тільки у момент переключення. При чому значення середньої за період комутації потужності, розсіяній на регулюючому транзисторі, набагато менше, ніж при роботі його у неперервному режимі. Тому імпульсні стабілізатори напруги мають більш високий коефіцієнт корисної дії (ККД) та в особливих випадках кращі масогабаритні показники за рахунок зменшення або вилучення радіаторів для регулюючих транзисторів та зменшення L та С фільтрів.

Недоліки імпульсних стабілізаторів: більш складна схема управління, підвищений рівень шумів, радіоперешкод та пульсацій вихідної напруги, а також гірші динамічні характеристики.

Імпульсний послідовний стабілізатор (знижувального типу) [7, стор.32] виконується за структурною схемою, приведеній на рис.2.16,а, в якій регулюючий елемент Р та дросель фільтра L ввімкнені послідовно з навантаженням .

В якості регулюючого елемента Р використовується транзистор, працюючий в режимі перемикання, при якому він почергово знаходиться в режимі насичення (повністю відкритий) або в режимі відсічки (коли він повністю закритий). При відкритому транзисторі впродовж часу (рис. 2.16,б) енергія від вхідного джерела постійного струму (або випрямляча з вхідною напругою U₀ ) передається в навантаження через дросель L, в якому накопичується надлишкова енергія. При закритому транзисторі впродовж часу накопичена в дроселі енергія через діод VD передається в навантаження.

Період комутації (перетворення) рівний:

Частота комутації:

. (2.8)

Відношення тривалості відкритого стану транзистора, при якому генерується імпульс напруги тривалістю до періоду комутації називається коефіцієнтом заповнення:

. (2.9)

Іноді при розрахунках зручно користуватись скважністю:

. (2.10)

В імпульсному стабілізаторі регулюючий елемент Р перетворює (модулює) вхідну постійну напругу ( ) в серію послідовних імпульсів визначеної тривалості та частоти, а згладжуючий фільтр, який складається з діода VD, дроселя L та конденсатора С демоделює їх знову в постійну напругу . При зміні вхідної напруги або струму у навантаженні в імпульсному стабілізаторі за допомогою ланцюга зворотнього зв'язку (рис. 2.16, а), який складається з вимірювального елементу, елементу порівняння ЕП та схеми керування СК, тривалість імпульсів змінюється таким чином, що вихідна напруга залишається стабільною з визначеним ступенем точності.

а

б

Рис.2.16. Імпульсний послідовний стабілізатор понижуючого типу: а - структурна схема; б - часова діаграма.

Імпульсний режим роботи дозволяє значно зменшити потужність втрат в регулюючому елементі і тим самим підвищити ККД джерела живлення, зменшити його масу та габарити.

ІСН в залежності від способу керування регулюючим транзистором можуть виконуватись з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), частотно-імпульсною модуляцією (ЧІМ) та релейного типу. У ШІМ стабілізаторах в процесі роботи змінюється тривалість імпульсу , а частота комутації залишається незмінною, в ЧІМ стабілізаторах змінюється частота комутації, а тривалість імпульсу залишається незмінною, в релейних стабілізаторах в процесі регулювання напруги змінюється і тривалість імпульсу, і частота.

Імпульсний паралельний стабілізатор (підвищуючого типу) виконується по структурній схемі, приведеній на рис. 2.17, в якій регулюючий елемент Р (транзистор) підключений паралельно навантаженню і також працює в імпульсному режимі. Діод VD блокує навантаження і конденсатор фільтра С від регулюючого елементу Р. Коли регулюючий транзистор відкритий, струм від джерела живлення протікає через дросель L, запасаючи в ньому енергію. Діод VD при цьому відсікає (блокує) навантаження і не дозволяє конденсатору С розрядитись через відкритий регулюючий елемент. Струм в навантаження в цей проміжок часу поступає тільки від конденсатора С. В наступний момент, коли регулюючий транзистор закритий, ЕРС самоіндукції дроселя L сумується з вхідною напругою, і енергія дроселя віддається в навантаження; при цьому вихідна напруга стає більше вхідної напруги живлення . На відміну від схеми на рис.2.16, тут дросель не є елементом фільтра, а вихідна напруга стає більше вхідної на величину, яка визначається індуктивністю дроселя L і скважністю роботи регулюючого транзистора, яка визначається по формулі (2.9).

Рис. 2.17. Структурна схема імпульсного паралель-ного стабілізатора

Схема керування стабілізатором (рис.2.17) побудована таким чином, що при підвищенні, наприклад, вхідної напруги живлення зменшується тривалість відкритого стану регулюючого транзистора на таку величину, що вихідна напруга залишається незмінною з визначеним ступенем точності.

Залежно від способу стабілізації вихідної напруги імпульсні стабілізатори можуть бути віднесені до однієї з систем регулювання: з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), з частотно-імпульсною модуляцією (ЧІМ), з релейною системою регулювання (РСР).

В ІСН з ШІМ (рис. 2.18) тривалість імпульсів напруги на вході згладжуючого фільтра при постійній частоті їх слідування зворотньо пропорційна значенню напруги на навантаженні.

В ІСН і ЧІМ (рис.2.19) тривалість імпульсів напруги є сталою величиною, а інтервали між ними змінюються пропорційно U_н.

В релейній системі регулювання (рис. 2.20) формування імпульсів відбувається в моменти перетинання напругою двох горизонтальних рівнів: нижнього при формуванні фронта та верхнього при формуванні зріза. Оскільки форма змінювання в залежності від напруги живлення та струму навантаження може бути різною, то і частота в цій системі регулювання може змінюватись в широких межах.

Рис. 2.18. Зміна напруги при ШІМ.

Зараз промисловістю випускається ряд спеціальних мікросхем для побудови імпульсних стабілізаторів напруги (ІСН), маючих кілька функціональних вузлів, дозволяючих підвищити надійність та покращити масогабаритні показники. До таких мікросхем відноситься К142ЕП1, яка має набір функціональних вузлів, виконаних на одному кристалі 1,7 x 1,7 мм, з яких за допомогою підключення зовнішніх елементів та з'єднувань можна організувати схему управління імпульсним стабілізатором релейного типу або схему захисту джерела від підвищення або зниження вихідної напруги.

Принципова схема інтегральної мікросхеми (ІМС) типу К142ЕП1 наведена на рис. 2.21.

Рис.2.19. Зміна напруги при ЧІМ

Джерело опорної напруги виконано на стабілітроні VD1, напруга якого через емітерний повторювач VT1 та подільник R2, RЗ поступає на вивід 9. Діод VD2 включений для термокомпенсації опорної напруги. УПТ виконаний на диференціальній схемі на транзисторах VТ11,VТ12, в якості колекторного навантаження використовується струмо­стабілізуючий двополюсник на транзисторах VТ9, VТ10. Диференціальний УПТ має два незалежних входи (виводи 12 і 13), не з’єднані з опорною напругою (вивід 9).

Рис.2.20. Зміна напруги при РСР

Рис. 2.21. Принципова схема мікросхеми К142ЕП1

Це дозволяє при одній і тій же полярності вхідного сигналу за рахунок зміни входів УПТ змінити фазу вихідної керуючої напруги. Такі переключення вимагаються при побудові імпульсних стабілізаторів позитивної або негативної напруги або імпульсних стабілізаторів інвертуючого типу.

Модулятор тривалості імпульсів виконаний на транзисторах VТ5, VТ6, утворюючих тригерну схему, на вихід якої поступає результуючий сигнал від двох джерел: постійного струму від УПТ через емітерний повторювач VТ8 та пилкоподібної напруги, яка формується з прямокутної напруги зовнішніми елементами та подається через розв'язуючі діоди VDЗ-VD6. Підсумування сигналів відбувається на резисторі R10. Модульований сигнал управління силовим регулюючим елементом виведений через інвертуючий каскад – транзистор VТ4 з загальним колектором.

Транзистори VТ2 та VТЗ утворюють складений каскад з максимальним струмом 0,2А, який можна використовувати для розхитування зовнішнього регулюючого транзистора при значних струмах навантаження. Нижче приведені основні параметри мікросхеми К.142ЕП1:

1) максимальна комутуєма напруга 40 В;

2) максимальний струм комутації 0,2 А;

3) струм закритої мікросхеми 0,2 мА;

4) напруга синхронізації 2... 4 В;

5) опорна напруга 1,7... 2,2 В;

6) чутливість 5 мВ;

7) температурний коефіцієнт опорної напруги 0,05 %;

8) максимальна частота комутації 100 кГц;

9) тривалість нарастання та спада імпульсного вихідного струму 0,2 мкс.