|
|
Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения
Выходное напряжение линейных стабилизаторов обычно меньше Uвх на величину падения напряжения на регулирующем элементе. КПД непрерывных стабилизаторов мало (25  75 %), так как на регулирующем элементе рассеивается значительная мощность. В импульсных стабилизаторах регулируемое сопротивление заменяется ключом. В качестве ключа обычно применяют транзистор, который периодически переходит из закрытого состояния в открытое и наоборот, то подсоединяя, то отсоединяя нагрузку, и тем самым регулируя среднюю мощность, забираемую ею от источника. Величина Uвых зависит от соотношения длительности открытого и закрытого состояний ключа. Частота переключений регулирующего элемента от единиц до сотен кГц, поэтому сглаживание пульсаций достигается малогабаритным фильтром, включенным после регулирующего элемента. Так как потери мощности в ключе малы, КПД достигает 0.85 0.95 при относительной нестабильности 0.1%.
Функциональная схема импульсного стабилизатора приведена на рис 2.4.10. 
Рис. 2.4.10.
СУ - сравнивающее устройство, включающее ИОН.
ИУ - импульсное устройство.
Регулирующий транзистор VT работает в режиме переключений и соединен последовательно с сопротивлением нагрузки Rн. Дроссель и конденсатор образуют сглаживающий фильтр для сглаживания пульсаций Uвых. Диод VD включен в обратном направлении.
Сигнал ошибки, возникший из-за дестабилизирующих факторов, подается со схемы сравнения, которая содержит ИОН, на вход ИУ. В ИУ происходит преобразование медленно меняющегося постоянного напряжения в последовательность импульсов. Если ИУ создает на своем выходе импульсную последовательность с постоянным периодом повторения и с меняющейся в зависимости от сигнала ошибки длительностью импульса tи, то схему называют стабилизатором с широтно - импульсной модуляцией (ШИМ), если tи=const, а меняется частота, то это стабилизатор с частотно - импульсной модуляцией (ЧИМ). Если же ИУ замыкает ключ при Uвыхпор и размыкает при Uвых>Uпор, то такую схему называют релейным или двухпозиционным стабилизатором. VT, VD, L, C образуют силовую цепь, а СУ и ИУ - цепь управления.
Рассмотрим работу релейного стабилизатора. При подаче Uвх VT открыт и ток через дроссель поступает в Rн. Конденсатор заряжается в течение tи. Относительная длительность импульса и/T. UL=Uвх-Uвых. Когда Uн>=Uн.макс, в цепи ООС вырабатывается такой управляющий сигнал, который запирает VT и ik=0 . В дросселе возникает противо ЭДС, препятствующая снижению тока, что способствует отпиранию диода. Энергия, запасенная в фильтре, поступает в Rн. iд протекает через дроссель, С, Rн, VD. При уменьшении iд уменьшается Uн и когда Uн<=Uн.мин, схема управления вырабатывает отпирающий сигнал, VT открывается, пропуская ток в нагрузку iL=i н=ik+iд. Uвых сохраняет заданный средний уровень Uн. Из равенства нулю постоянной составляющей напряжения на дросселе следует:
(Uвх - Uвых)=(T - )Uвых,
откуда Uвых=вх
(2.4.6).
Рис. 2.4.11.
Принцип действия стабилизатора с ШИМ. Частота переключения регулирующего транзистора постоянна. Изменяется соотношение между длительностями открытого и закрытого состояний регулирующего транзистора. На вход сравнивающего устройства (компаратора) подаются два сигнала, один из которых UГПН поступает с генератора пилообразного напряжения, а второй - с выходного делителя. Переключение транзистора будет происходить в момент равенства этих сигналов. При увеличении Uвх возрастает KUвых, что вызывает уменьшение длительности открытого состояния регулирующего транзистора и соответствующее уменьшение Uн. По сравнению с релейным стабилизаторы с ШИМ более сложны и содержат большее число элементов.
Рис. 2.4.12.
В стабилизаторе с ЧИМ tи=const , а частота изменяется. Недостатки такого стабилизатора: сложность схемы управления, обеспечивающей изменение частоты в широких пределах; уменьшение коэффициента сглаживания при уменьшении частоты. В стабилизаторах с ШИМ можно подобрать оптимальную частоту, при которой КПД наибольший.
Кроме того, в стабилизаторах с ЧИМ и ШИМ пульсации выходного напряжения меньше. В релейном стабилизаторе Uвых принципиально не может быть равна нулю, так как периодическое переключение триггера в схеме управления возможно при изменении Uн в пределах от U н.макс дон.мин.
Рис. 2.4.13.
В импульсном стабилизаторе с параллельным включением транзистора VT открыт в течение tи=, UL  Uвх, в дросселе накапливается энергия, а конденсатор разряжается на нагрузку. При запирании транзистора в дросселе наводится ЭДС самоиндукции.
Uвых=Uвх+UL. Под действием этого напряжения открывается диод и конденсатор заряжается, UL=Uвых-Uвх. Постоянная составляющая на дросселе равна нулю, поэтому
Uвх = (Uвых - Uвх)(T - )
Uвых = Uвх + Uвх - Uвх/(1 - ) = Uвх/(1 - ) (2.4.7)
Это стабилизатор повышающего типа.
Рис. 2.4.14.
В инвертирующем стабилизаторе (рис. 2.4.14) при открытом VT в течение T в дросселе запасается энергия UL=Uвх, конденсатор разряжается на нагрузку. При закрытом VT в дросселе индуцируется ЭДС обратного знака. UL=Uвых в течение длительности T-T. Конденсатор заряжается от дросселя через открытый диод.
UвхT=Uвых(T-T)
Uвых=Uвх/(1-) (2.4.8).
По мере повышения частоты переключения регулирующего транзистора происходит увеличение относительной длительности процессов рассасывания избыточных носителей в базе VT и диода. Это может привести к нарушению устойчивой работы и переходу к режиму автоколебаний. Возрастают динамические потери в элементах стабилизатора и уменьшается его КПД.
Коммутационные процессы приводят к изменению формы прямоугольных импульсов токов и напряжений (затягиваются передний и задний фронты), но это не столь существенно. А существенно то, что VT испытывает большую кратковременную перегрузку по току. Когда на базу закрытого VT поступает управляющий импульс, открывающий его, Iк начинает нарастать, а ток через блокирующий диод VD убывать. Поскольку VD еще открыт, VT работает в режиме короткого замыкания и к нему приложено Uвх и Iк может в 5 10 раз превосходить Iн. Таким образом, инерционность реальных диодов является основной причиной коммутационных перегрузок регулирующих транзисторов. Эти перегрузки будут тем больше, чем лучше импульсные свойства VT и хуже быстродействие диода. Приходится выбирать более мощный транзистор, использование которого по току будет низким.
Для уменьшения перегрузок в коллекторную или эмиттерную цепи вводят токоограничивающие элементы. Введение дополнительного дросселя в коллекторную цепь показано на рис. 2.4.15.
Рис. 2.4.15.
Lдоп уменьшает скорость нарастания Iк. Rдоп обеспечивает запирание VDдоп к моменту открывания транзистора VT. Разряд дросселя происходит при закрытом VT через диод VDдоп на Rдоп. В коллекторную или эмиттерную цепь может быть введен двухобмоточный дроссель (рис. 2.4.16).
Рис. 2.4.16.
Электромагнитная энергия, накопленная в Lдоп, при протекании тока через VT возвращается обратно в источник при закрытом VT. По сравнению с предыдущим случаем КПД стабилизатора увеличивается за счет исключения потерь мощности в Rдоп. При протекании тока через VDдоп Uкэ.макс=U вх+UвхW1/W2. Для уменьшения Uкэ.макс соотношение между W1 и W2 должно быть W2 (5 10)W1. При этом амплитуда напряжения на закрытом диоде Uдоп=(5 10)Uвх.
С целью уменьшения Uкн, tвкл и Iкэ0 запирание регулируемого транзистора производится подключением к переходу база - эмиттер источника Uзап (рис. 2.4.17а).
Рис. 2.4.17
Когда VT1 открыт, VT2 закрыт, C1 заряжается током базы Iб1. При отпирании VT2 Uc1 закрывает VT1. Uc1 может изменяться в зависимости от Uвх, Uc1 разряжается на R1. Поэтому вместо R1 включают стабилитрон или диоды в прямом направлении (рис. 2.4.17б).
Хотя импульсные стабилизаторы экономичнее непрерывных, им присущи некоторые недостатки, основными из которых являются:
1) повышенное значение коэффициента пульсаций выходного напряжения (у релейных до 10 20%, с ШИМ - 0.1 1% );
2) большое динамическое внутреннее сопротивление, то есть падающая внешняя характеристика;
3) большие помехи, создаваемые стабилизатором, для ослабления которых на входе и выходе включаются дополнительные фильтры.
Это определяет их область применения: в устройствах электропитания с постоянным током нагрузки значительной мощности, где требуются малый вес и габариты, но допускаются значительные пульсации Uвых.
В настоящее время выпускается три разновидности интегральных микросхем (ИМС) импульсных стабилизаторов:
1) импульсные стабилизаторы повышающего типа, с питанием от низкого входного напряжения от 2 до 12В, с минимальной рассеиваемой мощностью и встроенным полевым транзистором (серия стабилизаторов 1446ПН1, 1446ПН2, 1446ПН3);
2) универсальные маломощные ИМС, которые можно использовать при построении самых различных схем импульсных стабилизаторов (например, 142ЕП1 или 1156ЕУ1);
3) законченные стабилизаторы, включающие схему управления и силовой транзистор на ток до 10А (например, 1155ЕУ1).
В таблице 1 приведены основные характеристики ИМС импульсных стабилизаторов этих трех групп. Повышающие импульсные стабилизаторы 1446ПН1, 1446 ПН2 и 1446ПН3 предназначены для работы с низким входным напряжением и фиксированным выходным напряжением +5 или +12В. КПД таких стабилизаторов доходит до 88%, а рабочая частота до - 170 кГц. При малой выходной мощности в качестве ключевого элемента используется внутренний полевой транзистор. Для питания мощных нагрузок необходимо использование дополнительного биполярного или полевого транзистора. Основное применение такие ИМС находят в источниках бесперебойного питания отдельных плат ЭВМ, при питании измерительных приборов от гальванических элементов, в переносных устройствах связи.
Таблица 1 Основные характеристики ИМС управления импульсными стабилизаторами
Тип ИМС
|
Функциональное назначение
|
Uвх,В
|
Iвых,А
|
fпр,кГц
|
Pрас,Вт (КПД,%)
|
1446ПН1 (MAX731)
|
Повышающий конвертор
|
2,5...5,2
|
0,200
|
170
|
(80)
|
1446ПН2 (MAX734)
|
То же
|
2...12
|
0,175
|
170
|
(80)
|
1446ПН3 (MAX641)
|
То же
|
1...12
|
0,450
|
45
|
(80)
|
142ЕП1 (LM100)
|
Набор элементов для построения импульсного стабилизатора
|
<40
|
0,200
|
100
|
0,6
|
1156ЕУ1 (µA78S40)
|
То же
|
<40
|
1,500
|
100
|
1,5
|
1155ЕУ1 (LAS6380)
|
Мощный импульсный стабилизатор
|
<40
|
8,000
|
200
|
8,5
|
Наиболее универсальными являются ИМС второй группы, которые, по существу, представляют собой набор элементов для построения импульсных стабилизаторов различных типов. Из этих микросхем наиболее совершенной является ИМС типа 1156ЕУ1, упрощенная структурная схема которой приведена на рис.2.4.18. Микросхема представляет собой набор типовых блоков импульсного стабилизатора, расположенных на одном кристалле. В состав ИМС входят следующие узлы и блоки: источник опорного напряжения 1,25В; операционный усилитель с напряжением смещения 4мВ, коэффициентом усиления больше 200 тыс., скоростью нарастания 0,6В/мкс; широтно - импульсный модулятор, включающий задающий генератор, компаратор, схему "И" и RS - триггер; ключевой транзистор с драйвером (предварительным усилителем); силовой диод с прямым током 1А и обратным напряжением 40В.
Рис. 2.4.18.
Микросхема может управлять внешним биполярным или полевым транзистором, если требуется выходной ток больше 1,5А и напряжение выше 40В.
ИМС 142ЕП1 использована в схеме ИСН релейного типа, структурная схема которого приведена на рис. 2.4.19.
Рис. 2.4.19 ИСН релейного типа.
ФРП - двухзвенный LC фильтр радиопомех, ослабляющий напряжение радиопомех, вносимых стабилизатором напряжения в первичную сеть при его работе.
РЭ - силовой транзисторный ключ состоящий из ИМС типа 286ЕП3 (набор двух мощных транзисторов), дополнительного умощняющего транзистора VT и Др, ограничивающего скорость нарастания тока Iк транзистора VT.
СФ - (VD, L и C), фильтр, интегрирующий последовательность однополярных импульсов.
ВФ - высокочастотный фильтр, дополнительно ослабляющий напряжение высокочастотных пульсаций тока нагрузки.
УЗ - устройство защиты, обеспечивает защиту от перегрузок (транзисторная защита).
На один из входов дифференциального УПТ подается опорное напряжение, на другой вход - напряжение с делителя, равное опорному. Сигнал рассогласования через эмиттерный повторитель ЭП поступает на триггер Шмидта. На его выходе вырабатываются однополярные импульсы, длительность которых изменяется в зависимости от сигнала УПТ. Эти импульсы управляют параллельным ключом ПК, который открывает или закрывает транзистор РЭ. |
|
|
Скачать 434 Kb.