4.4. Стабилизаторы постоянного тока

Стабилизаторы постоянного тока, как и стабилизаторы напряжения, могут быть параметрическими и компенсационными.

В качестве параметрических стабилизаторов постоянного тока могут быть использованы упомянутые ране токостабилизирующие двухполюсники (рис. 4.12).

В компенсационных стабилизаторах постоянного тока последовательно с нагрузкой включается эталонный резистор , напряжение на котором стабилизируется с помощью компенсационного стабилизатора напряжения. Таким образом, при изменении нагрузки ток, протекающий через нее, останется неизменным.

На рис. 4.21 приведен один из вариантов схемы компенсационного стабилизатора тока. Сигнал рассогласования усиливается с помощью усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе VT2, и воздействует на регулирующий элемент – транзистор VT1. Обобщая, можно сказать, что для стабилизации постоянного тока может
	Рис. 4.21

быть использована любая схема компенсационного стабилизатора напряжения, в которой нагрузка включена вместо одного из сопротивлений делителя напряжения на входе схемы сравнения.

4.5. Импульсные стабилизаторы напряжения

В рассмотренных компенсационных стабилизаторах напряжения непрерывного типа в качестве регулирующего элемента используется транзистор, работающий в линейном режиме. Такой режим работы определяет значительные величины мощности, рассеиваемой на регулирующем элементе. В связи с этим компенсационные стабилизаторы непрерывного действия имеют относительно низкий КПД, не превышающий обычно 60%.

Решение проблемы уменьшения потребляемой стабилизатором мощности связано с переводом регулирующего элемента (транзистора) из линейного режима в ключевой (отсечка - насыщение). В регулирующем элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая на нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий через регулирующий транзистор, максимален, однако падение напряжения на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, близок к нулю, хотя напряжение максимально. Таким образом, в обоих случаях, рассеиваемая мощность незначительна и близка к нулю. Применение импульсного режима работы регулирующего транзистора позволяет повысить КПД стабилизатора до 80% и уменьшить его массу и габариты, так как при малой рассеиваемой мощности регулирующего транзистора, работающего в импульсном режиме можно не применять массивные теплоотводящие радиаторы. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели импульсных стабилизаторов.

Ясно, что изменение режима работы регулирующего элемента требует радикального изменения концепции регулирования выходного напряжения. На рис. 4.22 приведена структурная схема импульсного стабилизатора напряжения последовательного типа, иллюстрирующая принцип его действия.

Рис. 4.22	Рис. 4.23

В этой схеме нагрузка Н последовательно через сглаживающий фильтр Ф и ключевой регулирующий элемент РЭ подключена к источнику входного напряжения . Выходное напряжение сравнивается схемой сравнения СС с эталонным опорным напряжением . Разностный сигнал рассогласования , формируемый схемой сравнения СС, воздействует на схему управления СУ, которая вырабатывает импульсы, управляющие времёнами размыкания и замыкания ключевого регулирующего элемента РЭ. В результате на вход сглаживающего фильтра Ф поступает импульсное напряжение , форма которого приведена на рис. 4.23. Среднее значение этого напряжения зависит от соотношения времён замкнутого и разомкнутого состояний ключа РЭ и определяется формулой

,

где период, - частота переключения ключевого элемента, - скважность последовательности импульсов.

Изменяя параметры и , можно регулировать напряжение таким образом, чтобы выходное напряжение стабилизатора оставалось почти неизменным.

Изменение параметров и можно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключевым элементом РЭ. Возможны три способа модуляции входного напряжения:

1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), когда изменяется длительность управляющих импульсов , а частота их следования остается неизменной.

2. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), в процессе которой изменяется частота следования управляющих импульсов, а их длительность неизменна.

3. Широтно-частотная, когда частота и длительность управляющих импульсов – переменные величины.

Наибольшее распространение получили импульсные стабилизаторы с ШИМ.

Возможно построение стабилизатора с ШИМ на основе структурной схемы рис. 4.24.

Рис. 4.24	Рис. 4.25

В этой схеме функции схемы сравнения и схемы управления ключом выполняет компаратор напряжения КН, на один из входов которого поступает выходное напряжение или его часть, а на другой – пилообразные импульсы , вырабатываемые с постоянной частотой генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Компаратор срабатывает при равенстве напряжений на обоих его входах и формирует управляющее напряжение на входе регулирующего элемента РЭ (ключа), закрывая или открывая его. При отклонении выходного напряжения от номинального значения изменяется момент времени срабатывания компаратора, т.е. длительность управляющего импульса на входе ключа. Принцип работы схемы иллюстрируется временными диаграммами на рис. 4.25.

Поскольку напряжение после ключевого элемента представляет собой последовательность импульсов, необходимым элементом импульсного стабилизатора является сглаживающий фильтр с высоким коэффициентом сглаживания. Обычно в качестве сглаживающего фильтра в импульсных стабилизаторах используются Г-образные LC-фильтры.

Процессы, характеризующие работу импульсного стабилизатора с Г-образным LC-фильтром (рис. 4.26) без учета особенностей системы формирования управляющих импульсов, проиллюстрированы временными диаграммами на рис. 4.27.

Рис. 4.26	Рис. 4.27

Предположим, что в момент времени регулирующий транзистор открыт, и ток через катушку индуктивности нарастает по линейному закону

,

где - ток, проходящий через катушку индуктивности в момент отпирания транзистора.

В момент времени транзистор закрывается (ключ размыкается). Ток убывает также по линейному закону, протекая через открытый диод VD. Наличие диода в этой схеме необходимо, так как в отсутствие диода на закрытом транзисторе возникли бы недопустимые перегрузки по напряжению, которые могли бы привести к выходу его из строя.

В момент времени транзистор открывается (ключ замыкается), и ток начинает увеличиваться по линейному закону. Далее цикл повторяется.

Режим работы стабилизатора при называется режимом непрерывного тока. В этом случае выражение для пульсаций тока, протекающего через катушку индуктивности, можно записать следующим образом

.

Пульсацию выходного напряжения можно определить, учитывая, что в установившемся режиме работы схемы средние значения токов, протекающих через катушку индуктивности и нагрузку, равны между собой. Следовательно, среднее значение тока, протекающего через конденсатор, равно нулю, а изменение напряжения на нем (пульсации выходного напряжения) определяется только пульсацией тока . Когда ток выше среднего значения , напряжение на конденсаторе увеличивается. При уменьшении тока относительно напряжение на конденсаторе также уменьшается. Таким образом, можно записать уравнение баланса электрических зарядов в цепи катушки индуктивности и конденсатора

,

где - период переключения ключевого транзистора, - среднее значение тока, протекающего через конденсатор за половину периода, - изменение напряжения на конденсаторе за половину периода.

После несложных преобразований можно получить выражение для величины пульсаций выходного напряжения

.

Из этого выражения следует, что для обеспечения малых пульсаций выходного напряжения необходимо увеличивать частоту регулирования . Однако при увеличении частоты возрастают потери мощности в регулирующем транзисторе и катушке индуктивности, что приводит к снижению КПД. Обычно частота регулирования импульсных стабилизаторов напряжения лежит в пределах от 2 до 50 кГц.

Как правило, современные импульсные стабилизаторы выпускаются в виде специализированных микросхем стабилизаторов (например, К142ЕП1) или специализированных микросхем, реализующих управляющие схемы (например, К114ЕУ1), дополняемых необходимыми дискретными элементами.