Работа 11. ИМПУЛЬСНЫЙ КОМПЕНСАЦИОННЫЙ

СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы состоит в ознакомлении с принципом работы компенсационного импульсного стабилизатора постоянного напряжения и в измерении его основных статических параметров |2, 4].

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения представляет собой импульсную систему автоматического регулирования и предназначен для поддержки неизменного напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения, сопротивления нагрузки и других деситабилизирующих факторов.

Рис. 11.1

Основное достоинство импульсных стабилизаторов напряжения (ИСН) заключается в высоком коэффициенте полезного действия, что чаще всего определяет их использование в блоках питания радиоэлектронной аппаратуры.

По принципу действия ИСН делятся па две группы: релейные и стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией. В настоящей работе исследуется ИСН второго типа. Такой ИСН включает в себя регулирующий элемент (РЭ), схему управления (СУ) и накопитель энергии (Ф) (рис. 11.1). СУ, и свою очередь, состоит из источника опорного напряжения (ИОН) G2, усилителя ошибки (УО) А2, компаратора А1 и генератора пилообразного напряжения (ГПП) G1. Если выходное напряжение ИСН значительно отличается от опорного напряжения, то большее из них, чаще всего выходное напряжение, подается на вход УО через резистивный делитель напряжения Rl, R2.

Так как РЭ НСН находится либо в проводящем, либо в непроводящем состоянии, то накопитель энергии (дроссель и конденсатор) совместно с диодом выполняет роль фильтра нижних частот, выделяя постоянную составляющую из импульсного входного напряжения и сглаживая пульсации напряжения на нагрузке.

Поскольку РЭ работает в ключевом режиме, на нем рассеивается незначительная мощность. Это и обусловливает высокий КПД ИСН.

Рассмотрим принцип действия компенсационного ИСН (см. рис. 11.1). На один из входов компаратора A1 подается напряжение пилообразной формы от ГПН G1, на другой — напряжение с выхода УО А2, пропорциональное разности между выходным напряжением ИСН и напряжением ИОН G2. Очевидно, что .переключение РЭ в этом случае будет происходить в моменты равенства напряжений на входах компаратора (рис. 11.2). При возрастании выходного напряжения ИСН напряжение на выходе УО уменьшается, что приводит к уменьшению длительности открытого состояния РЭ. Поскольку накопитель энергии выполняет роль интегратора, то выходное напряжение U_вых ИСН определяется следующим образом:

_T

U_вых = 1/T ∫ u_ф(t) dt = (U_ф/Т) t_И = U_ф γ, (11.1)

₀

где U_ф — амплитуда импульсов на входе накопителя энергии; t_И — длительность импульсов; Т — период следования, определяемый частотой колебаний ГПН; γ = t_И /T— относительная длительность импульсов.

Рис. 11.2

Таким образом, напряжение на выходе ИСН будет пропорционально относительной длительности открытого состояния РЭ. Следовательно, воздействуя на параметр γ определенным образом, а именно, положив

γ = [(U_ОП - U _вых/K_Д) K₀] / U_П,

где U_ОП — напряжение ИОН; K_Д — коэффициент передачи делителя R1, R2; U_П — амплитуда пилообразного напряжения; K₀— коэффициент усиления усилителя А2 (см. рис. 11.1), получим, что

U_вых ≈ U_ОП / K_Д (11.2)

В установившемся режиме работа ИСН иллюстрируется временной диаграммой (рис. 11.3).

Рис. 11.3

В момент открывания РЭ ко входу фильтра Ф прикладывается напряжение, близкое к входному напряжению ИСН U_вх. Ток в дросселе фильтра начинает возрастать, достигая своего максимального значения к моменту запирания РЭ. При этом в дросселе и конденсаторе фильтра накапливается энергия, что приводит к некоторому незначительному возрастанию напряжения на выходе ИСН (интервал времени 0—-t_И, см. рис. 11.3). После запирания РЭ энергия, накопленная в дросселе и конденсаторе, начинает расходоваться в нагрузке, ток в дросселе спадает по линейному закону, протекая через сопротивление нагрузки и открытый диод VД1 (см. рис. 11.1). Это вызывает незначительное уменьшение напряжения на выходе ИСН (интервал времени t_И — Т, см. рис. 11.3). Таким образом, установившийся режим работы ИСН характеризуется определенными пульсациями тока в дросселе силового фильтра и пульсациями выходного напряжения.

Амплитуда пульсаций тока в дросселе силового фильтра может быть определена из выражения

ΔI_L1 ≈U _ф (1 - γ )/ 2L₁f,

где L₁— индуктивность дросселя; f - частота коммутации РЭ. Очевидно, что с уменьшением индуктивности дросселя пульсации тока в нем возрастают. Это ухудшает использование РЭ по току. При весьма малой индуктивности дросселя в нем может наступить режим прерывистого тока, когда накопленная в дросселе анергия успевает расходоваться в нагрузке за время выключенного состояния РЭ. При этом более интенсивно расходуется энергия, накопленная в конденсаторе силового фильтра, и ухудшается нагрузочная характеристика ИСН. Такой режим работы ИСН нежелателен, поэтому индуктивность дросселя выбирается из условия

L₁ > (1 - γ ) R_Н / 2f,

где R_Н — сопротивление нагрузки.

Амплитуда пульсаций выходного напряжения ΔU_вых ИСН при известном значении произведения L₁ С₁, определяется приближенным выражением

ΔU_вых ≥ γ (1 - γ ) U _ф / 8L₁ С₁ f ² , (11.3)

где С₁ — емкость конденсатора силового фильтра.

Следует подчеркнуть, что ΔU_вых, определенное из формулы (11.3), оказывается несколько заниженным. Это связано с тем, что емкость электролитического конденсатора, который используется в силовом фильтре, падает с ростом частоты и на относительно высоких частотах коммутации (f >20 кГц) может снижаться в 3—5 раз.

Кроме того, из-за наличия межвитковой емкости в дросселе силового фильтра в моменты переключения РЭ возникают паразитные колебания (так называемые «иглы»), амплитуда которых на порядок и более может превышать пульсации выходного напряжения ИСН, обусловленные частотой коммутации РЭ. Для уменьшения амплитуды этих паразитных колебаний необходимо рационально выполнять монтаж ИСН, снижать крутизну фронта и среза импульсов, поступающих на вход силового фильтра. Но уменьшение скорости нарастания тока в РЭ приводит к дополнительным потерям мощности. Это обусловлено тем, что одна из составляющих потерь в РЭ пропорциональна относительной длительности фронта и среза импульсов на входе силового фильтра. Уменьшение амплитуды высокочастотных пульсаций представляет собой достаточно сложную инженерную задачу и ее решение в первую очередь. определяется реальной конструкцией ИСН.

11.1. Методика эксперимента и расчетные соотношения

Схема лабораторного макета ИСП приведена па рис. 11.4. Она состоит из РЭ на составном транзисторе VTl, VT2; силового фильтра, содержащего дроссель L1, конденсатор С1 и диод VД1; схемы управления, выполненной па микросхеме К1114ЕУ1. Большая интегральная схема К1114ЕУ1 предназначена для управления импульсными вторичными источниками электропитания. Она содержит набор функционально необходимых узлов: усилитель ошибки, компаратор, ГПН, ИОН, выходной каскад с блоком логики и узлы защиты.

ГПН G1, входящий и микросхему управления, работает на принципе заряда конденсатора С2 стабильным током с последующим ускоренным разрядом его через резистор R5. Ток заряда конденсатора С2 задается резистором R4. Период колебаний ГПН определяется как сумма времени заряда t₃ и времени разряда t_P конденсатора С2. Изменяя сопротивление резистора R4, а также емкость конденсатора С2, можно в широких пределах менять частоту колебаний ГПН. Так как обычно выполняется условие t₃ >> t_P , то частоту колебаний ГПН можно рассчитать по формуле (паспортные данные микросхемы К1114ЕУ1):

f ≈ 1,1 / R₄ С₂ (11.4)

Непрерывный стабилизатор напряжения G2 обеспечивает стабильным напряжением питания функциональные узлы микросхемы управления (цепи питания функциональных узлов на схеме не показаны), а также является источником опорного напряжения.

Логический блок служит для организации двухтактного режима работы вторичного источника электропитания. В данном случае коллекторы выходных транзисторов VT3, VT4 объединены по схеме «монтажное ИЛИ», так как двухтактный режим для работы исследуемого ИСН не требуется. Транзисторы VT3, VT4 переключаются поочередно в разные моменты времени с частотой f/2, а транзисторы VTI, VT2 переключаются с частотой f.

Компаратор A3 выполняет функцию узла защиты, переводя ИСН в режим стабилизации тока при увеличении тока нагрузки выше предельного. В этом случае падение напряжения на резисторе R8 не превышает 0,3 В при любом значении сопротивления нагрузки R_Н-.Назначение остальных элементов достаточно подробно освещено в начале работы.

В числе основных качественных показателен ИСН можно выделить следующие: входное напряжение U_вх, ИСН и пределы его изменения; выходное напряжение U_вых, ИСН и пределы его изменения; частота коммутации f РЭ; относительная длительность у включенного состояния РЭ и пределы ее изменения при изменении U_вх, ИСН; пульсации ΔU_вых выходного напряжения ИСН в установившемся режиме; коэффициент полезного действия η ИСН.

При определении параметров ИСН могут быть использованы следующие соотношения:

U_вых,, рассчитанное по формуле (11.2), где К_Д = R₇ / (R₇ + R₆);

частота коммутации f РЭ, при заданном значении ΔU_вых определяемая по формуле (11.3), и параметры частотно-задающих элементов ГПН, получаемые из формулы (11.4);

относительная длительность импульсов γ на входе силового фильтра рассчитываемая по формуле (11.1) (при этом полагается, что U_Ф = U_вх);

коэффициент полезного действия η, вычисляемый по формуле

η, = (P_Н)/(P_вх ) = (U_вых)/( U_вх) (I_Н)/(I_вх ) (11.5)