3.3. Ксн з широтно-імпульсною модуляцією.
Основним
недоліком аналогових КСН є порівняно
невеликий коефіцієнт корисної дії,
оскільки регулюючий транзистор весь
час відкритий і споживає потужність
навіть тоді, коли
рівна зада-ному значенню. Підвищення
ККД стабілізатора напруги можливо,
по-перше, коли регулюючий елемент буде
вмикатися тільки на час стабілізації,
тобто коли
буде більшою або меншою заданого значення
вихідної напруги
,
що буде мати місце при зміні
або
,
по-друге, коли струм навантаження буде
проходити через накопичувальні елементи
– індуктивність
і ємність
.
На такому принципі діють тільки імпульсні
стабілізатори напруги (ІСН). Структурна
схема ІСН наведена на рис. 18.
Рис. 18. Структурна схема імпульсного стабілізатора напруги: ЕК – електронний ключ; ШІМ – широтно-імпульсний модулятор; Д – діод; L – індуктивність (дросель); К – компаратор; С – ємнісний фільтр; RН – опір навантаження.
Принцип
роботи наступний. В компараторі К
відбувається порів-няння
і опорної напруги, визначається амплітуда
і знак напру-ги розузгодження
,
яка поступає в широтно-імпульсний
модулятор, де відбувається перетворення
в прямокутний імпульс постійної частоти
і амплітуди, ширина яких пропорційна
амплітуді і знаку напруги розузгодження.
Суть широтно-імпульсної модуляції в тому, що в залежності від значення амплітуди і знаку вхідної величини змінюється трива-лість, тобто ширина вихідних імпульсів без зміни частоти і ампліту-туди. На рис. 19, а. показаний принцип широтно-імпульсної модуляції.
Одним із способів перетворення вхідної аналогової величини в широтно-імпульсний сигнал наведений на рис. 19, б.
За
характером розташування основних
елементів (ключ, L i C) ІСН поділяють на
понижувальні (
),
підвищувальні (
)
і інвертуючі (
(+),
(-),
(-), (+)).Найбільш по-ширеними є понижувальні
ІСН.
а
б
Рис. 19. Широтно-імпульсна
модуляція: К – компаратор; МВ –
мультивібратор з регульованою шириною
імпульсів.
3.3.1. Імпульсні стабілізатори понижувального типу.
Схема ІСН понижувального типу наведена на рис. 20, (ІСН послідовні).
Стабілізатор
складається із електронного ключа
,
який забезпечує високо-частотну комутацію
струму, в якості якого є потужний
біполярний або польовий транзистор,
згладжувального LC-фільтра;
розрядного діода
,
зворотного зв’язку і системи керування
.
Принцип роботи ІСН наступний.
Рис. 20. Схема ІСН понижувального типу: СК – система керування.
Перший цикл – ключ замкнутий. Джерело вхідної напруги створює струм в дроселі L і опорі навантаження , одночасно заряджає конденсатор . В дроселі L відбувається накопичення енергії.
Другий
цикл – розімкнутий. В індуктивності
дроселя виникає ЕРС самоіндукції
протилежної до напруги на дроселі
полярності і індуктивність L розряджається
через діод VD
i
і одночасно підзаряджає конденсатор
.
Якщо прийняти до уваги, що постійні часу заряджання і розряд-жання індуктивності дроселя значно більші тривалості періоду ко-мутації ключа, то змінні напруги і струми можна представляти лінійними часовими функціями, як показано на рис. 21.
Частота
комутації ключа стала
;
Відношення
називається коефіцієнтом заповнення.
Частота пульсацій бу-де дорівнювати
частоті комутацій ключа. При такій
частоті
і згладжування буде ефективним.
З
коефіцієнт пульсації визначається за
формулою
/3.2/
де
,
а
(
– опір джерела вхідної напруги).
Аналіз
формули (3.2)показує, що максимальне
значення
буде за умови
.
Рис.
21. Часові діаграми напруг і струмів для
двох циклів роботи:
– тривалість відкритого стану транзистора;
– тривалість закритого стану транзистора;
– імпульси керування транзисторним
ключем;
– струм заряджання
;
– струм розряджання індуктивності;
– напруга на дроселі;
– напруга пульсацій вихідної напруги.
Особливість роботи імпульсних стабілізаторів в тому, що висо-кочастотні імпульси, обумовленні комутацією ключового елемента, фільтруються, а змінна складова вхідної напруги стабілізується, оскільки період зміни значно перевищує період комутації.
В залежності від величини індуктивності дроселя може бути два режими: режим безрозривних струмів та розривних, рис.22.
а
б
в
Рис. 22. Режими роботи дроселя: а – безрозривний; б – розривний; в – граничний.
Режим безрозривних струмів є найбільш доцільним, оскільки пу-льсації вихідної напруги будуть найменші. Це буде мати місце, якщо індуктивність дроселя буде задовольняти умову
/3.3/
За
рахунок зворотного зв’язку система
керування здійснює ши-ротно-імпульсну
модуляцію вхідної напруги
.
Отже, основною характеристикою системи
керування є коефіцієнт передачі, який
встановлює зв’язок між зміною коефіцієнта
заповнення
і напру-гою на виході
при широтно-імпульсній модуляції і
називають-ся коефіцієнтом ШІМ.
/3.4/
Між
і коефіцієнтом стабілізації існує
залежність
/3.5./
Оскільки втрати потужності в ключовому елементі мають місце тільки коли він включений (проводить струм), а в обмотці дроселя, діоді і схемі керування вони незначні, тому ККД імпульсного стабі-лізатора напруги більше 90%.