Меню

Импульсные стабилизаторы напряжения лекция

Принцип импульсной стабилизации напряжения. Импульсные вторичные источники питания.

Структурная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения приведена на рисунке 12.9. Импульсный блок (ИБ) обеспечивает работу регулируемого элемента (РЭ) в ключевом режиме, характеристики которого определяются блоком сравнения (БС).

Рисунок 12.9 – Структурная схема импульсного стабилизатора: РЭ – регулируемый элемент; – сглаживающий фильтр; БС – блок сравнения; ИБ – импульсный блок; – источник эталонного напряжения

Используются в основном два способа управления: релейный и широтно-импульсный. В первом случае импульсы на выходе РЭ имеют амплитуду, равную вкаждый данный момент входному напряжению, и регулирование обеспечивается изменением их длительности. Во втором случае амплитуда импульсов постоянна, по сигналам ИБ изменяется их ширина.

Принцип работы релейного импульсного стабилизатора поясняется схемой, представленной на рисунок 12.10. РЭ на схеме представлен транзистором , включенным по схеме с ОЭ, функции БС выполняет переменный резистор R4 делителя выходного напряжения . Источником эталонного напряжения служит стабилитрон , ИБ выполнен на транзисторе . Резисторы , , обеспечивают допустимые режимы работы транзисторов, диод необходим для защиты от перенапряжений из-за ЭДС самоиндукции дросселя фильтра, возникающей при снижении тока через катушку индуктивности (в паузе между импульсами на эмиттере ).

Рисунок 12.10 – Схема импульсного стабилизатора

Временная диаграмма, поясняющая процесс регулирования напряжения на нагрузке при отклонениях входного напряжения относительно номинального значения, приведена на рисунке 12.11. Нарастание во время действия импульса ограничено моментом равенства напряжения, снимаемого с движка , сумме напряжения пробоя стабилитрона и порогового напряжения открывания транзистора . В паузе между импульсами конденсатор фильтра разряжается на сопротивление нагрузки до момента равенства напряжению пробоя стабилитрона . Разность напряжений срабатывания блока сравнения (гистерезис) определяет величину пульсаций относительно среднего значения напряжения на нагрузке. Достоинства схемы: относительная простота при приемлемом уровне коэффициента пульсаций, импульсный стабилизатор с широтно-импульсным регулированием схемотехнически сложнее, но имеет несколько лучшие показатели качества выходного напряжения.

Рисунок 12.11 – Временная диаграмма релейного регулирования напряжения

Импульсные вторичные источники питания.

ВИП указанного типа в настоящее время используются в блоках питания компьютеров, телевизоров и другой аппаратуре бытового и технического назначения.

Структурная схема импульсного ВИП приведена на рисунке 12.12. Новым элементом здесь является высокочастотный (ВЧ) преобразователь постоянного напряжения в импульсную последовательность.

Рисунок 12.12 – Структурная схема импульсного ВИП

В качестве такого преобразователя используются трансформаторные каскады, управляемые задающим импульсным генератором, или импульсные генераторы с самовозбуждением. Частота преобразования обычно находится в пределах 30. 50 кГц.

Остальные блоки приведенной ранее структурной схемы импульсного ВИП принципиально не отличаются от таковых для ВИП, выполненного по аналоговой схеме.

Контрольные вопросы

1 Каковы преимущества и недостатки аналоговой и импульсной схем вторичных источников питания?

2 Поясните назначение основных блоков структурной схемы аналогового ВИП.

3 Поясните назначение основных блоков структурной схемы импульсного ВИП.

4 В чем преимущества двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодным?

5 Перечислите типы и основные особенности стабилизаторов напряжения.

6 При какой полярности напряжения работает стабилитрон в параметрическом стабилизаторе?

7 В каком режиме работают транзисторы в компенсационном стабилизаторе?

8 Какие принципы регулирования используются в импульсных стабилизаторах?

Источник



Импульсные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы могут действовать по различным видам схем, в том числе и подобным рис. 7.6 компенсационного стабилизатора, но силовые транзисторы в них работают в импульсном (ключевом) режиме, поэтому КПД, массогабаритные показатели, удельная мощность близки к предельно возможным. Только они способны удовлетворить требованиям таблиц 7.1, 7.2.

Предельно возможная величина КПД обуславливается ключевым режимом, при котором регулирующий элемент (транзистор) либо открыт, либо закрыт. Массогабаритные показатели улучшаются потому, что ключи действуют на повышенных частотах, для трансформации необходимы магнитопроводы, числа витков значительно меньшего и размера и количества. Так, если при частоте 50 Гц трансформатор 100-200 Вт весит больше килограмма, то при 20 кГц достаточно небольшого ферритового кольца. Но частота переключений может быть 200 кГц и больше, это зависит от совершенства схем и качества ключевых транзисторов.

Два существенных недостатка свойственны ключевым стабилизаторам. Первый связан с тем, что обычно сетевое напряжение 220 В выпрямляют в постоянное (AC/DC), затем преобразуют в высокочастотные импульсы, которые трансформируют во вторичные обмотки с целью получения необходимого уровня напряжения, а также гальванической развязки. Но замыкать и размыкать цепи постоянного тока под напряжением 250 В (имеется в виду, что выпрямленное напряжение 220 В переменного тока всегда больше цифры 220 В) – это означает образовывать крутые фронты и спады, скачки и броски, защититься от которых трудно, несмотря на наличие набора конденсаторов и экранирование.

Второй недостаток объясняется импульсностью действия схемы. Если в результате каких-либо внешних воздействий в стабилизируемом напряжении возникает помеха (нарастающий или убывающий импульс), то схема обратной связи не может его отработать, например, на интервале закрытого состояния ключа, потому что он закрыт, т.е. неуправляем. И только спустя некоторое время, определяющееся свойством прямых цепей и цепей обратной связи, схема компенсирует помеху в выходном напряжении.

В этом отношении непрерывные компенсационные стабилизаторы имеют преимущество по сравнению с импульсным. В них помеха также отрабатывается с задержкой, определяемой свойствами схемы с обратными связями, однако дискретности (импульсности) отработки нет.

В начальном периоде развития электроники, для относительно небольших напряжений питания, безопасных по отношению к обслуживающему персоналу, случайно прикасающемуся к токоведущим цепям, разработаны три варианта импульсных стабилизаторов: понижающий, повышающий и инверсный, схемы которых приведены на рис. 7.7

Читайте также:  Перепад напряжения для светодиодных ламп

Рис. 7.7. Схемы импульсных стабилизаторов

Схему рис. 7.7, а) иногда называют чопперной (от chopper — прерыватель). Когда ключ VT открыт, VD закрыт, ток протекает по цепи: +En, открытый VT, индуктивность L, параллельно включенные емкость Сф и нагрузка Rн. После закрывания VT удовлетворяется закон сохранения тока: под действием ЭДС самоиндукции ток протекает по контуру: индуктивность L слева направо, параллельно включенные емкость Сф и нагрузка Rн, диод VD, вновь индуктивность. Этот ток убывает по экспоненте (могут быть колебания). Система управления с отрицательной обратной связью стабилизирует схему. Выходное напряжение всегда меньше входного.

В схеме рис. 7.7, б) напряжение может быть больше в сравнении с наименьшим входным, поэтому ее еще называют бустерной. Физический смысл здесь в том, что импульсный регулирующий элемент (ключ VT) включен последовательно с индуктивностью L. Когда он замкнут (транзистор VT открыт), ток протекает по цепи: +En, индуктивность L, открытый ключ VT, -En. Ток нарастает по экспоненте, или имеет нарастающий колебательный характер, и конечная величина его определяется только возможностями этой цепи, а также длительностью импульса (длительностью открытого состояния ключа). Диод VD при этом закрыт плюсовой полярностью напряжения конденсатора Сф по цепи: +Сф, диод VD в обратном направлении, открытый VT, -Сф.

В момент закрывания транзистора VT, вследствие наличия индуктивности L, удовлетворяется закон сохранения тока. Последний протекает по цепи: индуктивность L слева направо, диод VD в прямом направлении, параллельно включенные фильтр Сф и нагрузка Rн, источник питания En, вновь индуктивность L. Но так как этот ток может быть достаточно большим, то он и выделяет на нагрузке Rн более высокое напряжение, в сравнении с тем, которое может создать источник питания En. Практически такое превышение может достигать пятикратной величины.

В схеме рис. 7.7, в) на интервале импульса открытого состояния ключа VT ток протекает по цепи: источник +En, открытый VT, индуктивность L, -En. Диод VD закрыт в обратном направлении, индуктивность L накапливает энергию. После размыкания ключа VT ток протекает в индуктивности L в том же направлении (сверху вниз, как показано стрелкой) и в первое мгновение той же величины, далее через параллельную группу Сф Rн, а также диод VD в прямом направлении. Следовательно, знак + полярности напряжения на нагрузке будет внизу, т.е. стабилизируемое напряжение инвертируется. Т.к. накопление энергии в индуктивности L для схем б) и в) одинаково, то схема в) также может быть бустерной, повышающей.

Последующее развитие электроники предложило новые образцы схем импульсных стабилизаторов. Идеи, которые были приняты здесь в основу, состояли в следующем.

Прежде всего напряжение питания на выходе стабилизатора должно быть гальванически отдельно от сетевого напряжения (напряжение в розетке 220 В), т.е. те, кто пользуются электронными приборами, должны быть защищены с точки зрения техники безопасности. Следовательно, необходим силовой трансформатор с первичной и вторичной обмотками. Но на частотах сети 50…60 Гц размеры и вес трансформатора недопустимо велики. Необходимо выпрямить сетевое напряжение и преобразовать его в импульсы с частотой несколько сот килогерц. В этом случае размеры трансформатора получаются приемлемыми.

С другой стороны, большинство бытовых потребителей имеют небольшую мощность. Поэтому стабилизаторы для них можно делать на однотактном принципе. В итоге разработаны два варианта схем: прямоходовые (forward) и обратноходовые (flyback), изображенные на рис. 7.8.

Рис. 7.8. Схемы прямоходового (а) и обратноходового (б) однотактных стабилизаторов

Эти схемы почти одинаковы, тем не менее, процессы в них протекают по-разному. Из теоретических основ электротехники (ТОЭ) известно, что в упрощенном виде схемы трансформаторов можно изображать в приближенном эквивалентном виде без вторичных обмоток. Воспользуемся этим приемом и изобразим схемы рис. 7.8, а), б) в упрощенном виде, как на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Эквивалентные схемы прямоходового и обратноходового стабилизаторов

Диод VD1 на схеме рис. 7.9, б) изображен внизу потому, что на схеме 7.8, б) звездочки одноименных выводов трансформатора Тр расположены внизу для w1 и вверху для w2. Таким образом, отличия схем а) и б) в том, что концы обмоток изменили свое положение на противоположное, кроме того диод VD1 в схеме б) включен в нижней части схемы. Если ключ замкнут (транзистор VT открыт), то в схеме а) одновременно протекают два тока I1 и I2. Первый нарастает при простейшей аппроксимации по экспоненте, второй заряжает конденсатор Cф, напряжение на нем нарастает (примем тоже экспоненту), образуя пропорциональные ток и напряжение на нагрузке.

В момент закрывания ключа должен удовлетворять закон сохранения тока, т.е. предполагается, что ток I1 протекает в том же направлении по цепи: w1 сверху вниз (в том же направлении), нагрузка Сф-Rн, индуктивность Lф, диод VD1 в обратном направлении. Но диод VD1 не может пропускать ток в обратном направлении, образуется разрыв, как через ключ, так и в цепи VD1. Возникает ЭДС самоиндукции, стремящаяся преодолеть эти разрывы, удовлетворить закон сохранения тока. Как ключ VT, так и диод VD1 могут быть пробиты. Необходимы схемы защиты от пробоя, известны различные варианты, но идеального решения нет.

В схеме б) при открытом ключе VT ток I1 протекает через w1, диод VD1 закрыт плюсом напряжения Сф. Энергия накапливается в w1 и магнитопроводе. При размыкании ключа ток под действием ЭДС самоиндукции протекает в том же направлении, сверху вниз w1, далее через VD1, индуктивность Lф, нагрузку и опять по w1 сверху вниз, т.е. удовлетворяется закон сохранения тока, ЭДС самоиндукции имеет небольшую (неразрушительную) величину. Таким образом, в схеме б) ток в цепи нагрузки образуется на интервале закрытого состояния ключа, отсюда и название – обратноходовая, в сравнении с а), где ток протекал на интервале открытого ключа – прямоходовая.

Читайте также:  Схема светодиодного индикатор напряжения

В практической электронике чаще применяют обратноходовую схему, имеющую меньше проблем с защитой ключа от ЭДС самоиндукции, как было отмечено в предыдущем абзаце.

Контрольные вопросы

1. Схемы включения диодов в выпрямительных схемах в однофазной сети и трехфазной сети.

2. Классификация стабилизаторов.

3. Принцип работы параметрического стабилизатора, типовая схема, достоинства и недостатки.

4. Схемные решения улучшения показателя качества параметрических стабилизаторов.

5. Принцип работы компенсационных стабилизаторов.

6. Основные параметры компенсационных стабилизаторов, характеризующих их качество.

7. Принцип работы импульсных стабилизаторов.

8. Базовые схемы импульсных стабилизаторов.

9. Прямоходовые и обратноходовые стабилизаторы. Их достоинства и недостатки.

П. 1. Фильтр высоких частот (ВЧ)

Благодаря тому, что импеданс конденсатора зависит от частоты , с помощью конденсаторов и резисторов можно строить частотно-зависимые делители напряжения, которые будут пропускать только сигналы нужной частоты, а все остальные подавлять.

На рис. П1 показан делитель напряжения, состоящей из конденсатора и резистора. Из формулы делителя напряжения в точке 1 имеем в операторной форме

Рис. П1. Фильтр высоких частот

Заменив P на jω и избавившись от j в знаменателе (умножив на сопряженное выражение числитель и знаменатель), получим

Имеем абсолютную величину Z1 равную

Фаза сопротивления Z1 определяется как

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики в логарифмическом масштабе приведены на рис. П2.

Рис. П2. Амплитудно-частотная (а) и фазо-частотная (б) характеристики фильтра ВЧ

Инженеры пользуются понятием “точка излома” амплитудно-частотной характеристики, где амплитуда выходного к входному сигналу отличаются на 0,707 (-3 децибелла). Это частота ω3дб для фильтра ВЧ равна

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Импульсные стабилизаторы напряжения

Основным элементом импульсных стабилизаторов напряжения является регулирующий элемент-транзистор, периодически пере­ключающийся из режима насыщения в режим отсечки. Если тран­зистор работает в таком режиме, то значительно снижается мощность, рассеиваемая на регулирующем элементе, что позволяет значительно повысить к. п. д. стабилизатора. В импульсных ста­билизаторах напряжения стабилизация осуществляется за счет изменения соотношения времени открытого и закрытого состояния регулирующего транзистора. При этом среднее значение выходного напряжения поддерживается неизменным с заданной степенью точности при воздействии дестабилизирующих факторов.

Мощность, выделяемая в нагрузке, определяется входным напряжением, сопротивлением нагрузке и соотношением времени открытого и закрытого состояния регулирующего транзистора. Изменяя это соотношение, можно регулировать мощность, вы­деляемую на нагрузке без значительных потерь на регулирующем элементе. Пульсации выходного напряжения, вызванные замыка­нием и размыканием транзисторного ключа, снижаются сглажи­вающим фильтром, включаемым на выходе.

При этом коэффициент сглаживания пульсаций будет тем больше, чем выще частота пульсаций по отношению к собственной частоте контура.

В функциональной схеме силовой цепи компенсационного ста­билизатора с импульсным регулированием (рисунок 5.16, а) регулирующий элемент условно показан в виде ключа S. Индуктивность L, и конденсатор С являются элементами сглаживающего фильтра.

Рис.5.16. Функциональные схемы силовой цепи понижающего (а), повышающего (в) и полярно-инвертирующего (г) импульсных стабилизаторов напряжения; кривые изменения напряжений (б)

При замыкании ключа S на вход фильтра будет подаваться входное напряжение Uвхв течение времени tп (рисунок 5.16, б) в виде импульса прямоугольной формы. Через катушку индуктивности потечет линейно возрастающий ток, так как э. д. с. самоиндукции ее будет противодействовать основному потоку, создаваемому вход­ным напряжением. Через нагрузку также потечет ток и будет заряжаться конденсатор С. В момент размыкания ключа S ток через индуктивность L достигнет максимального значения. Напряжение на катушке в этот момент, противодействуя пропаданию основного напряжения, поменяет полярность. Откроется диод VD и через нагрузку во время паузы tп потечет ток, замыкающийся по цепи LRH VD. При снижении потенциала катушки ниже потенциала заряженного конденсатора С диод закроется, и ток в нагрузке в этом интервале времени будет сохраняться за счет разряда конденсатора.

Время разомкнутого состояния ключа tПможно подобрать таким, чтобы ток через катушку индуктивности не достигал нулевого значения. При следующем замыкании ключа процесс будет повторяться. Период следования равен сумме длительности импульсов tИ и пауз tG: .

Среднее значение напряжения на выходе фильтра (на нагрузке)

. Из этого выражения следует, что при постоянных значениях напряжения Uвх и периода следования Т напряжение на выходе стабилизатора Uвых будет пропорциональ­но длительности импульса tи. Обозначим отношение tи/Iчерез коэффициент заполнения Кзпричем К3

и будет тем больше, чем больше К3. Индуктивность в этом стабилизаторе не участвует в сглажи­вании пульсации на нагрузке.

С помощью схемы (рисунок 5.16, г) полярно-инвертирующего импульсного стабилизатора на его выходе обеспечивается напря­жение обратной полярности по отношению к входному напря­жению. При включении входного напряжения (ключ S замкнут), что соответствует интервалу времени tи, через катушку индуктивности L будет протекать ток. Диод VD закрыт, так как к нему приложено входное напряжение обратной полярности.

Читайте также:  При низком напряжении целесообразно потреблять энергию

При размыкании ключа S, когда входной источник отключается, напряжение на катушке индуктивности за счет э. д. с. самоиндукции меняет полярность на обратную и открывается диод VD. За счет энергии, запасенной катушкой индуктивности, питается нагрузка RH. Одновременно с этим заряжается конденсатор С. Следовательно, постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, имеет полярность, обратную приложенному входному напряжению Uвх. Во время следующего замыкания ключа закрывается диод VD Под воз­действием напряжения Uвх катушка индуктивности вновь получает энергию от входного источника. В этот интервал времени нагрузка питается от медленно разряжающегося конденсатора С. В даль­нейшем при размыкании ключа конденсатор С будет дозаряжаться, и процессы вновь повторяются. Выходное напряжение полярно-инвертирующего импульсного стабилизатора

Из выражения следует, что напряжение на выходе такого ста­билизатора может быть как меньше, так и больше входного напряжения. Оно зависит от коэффициента заполнения.

Из рассмотренных схем импульсных стабилизаторов следует, что на их выходе можно получить регулируемое стабилизированное напряжение больше или меньше входного как прямой, так и обратной полярности. Напряжение в них стабилизируется без применения крупногабаритных элементов, в частности трансфор­маторов. В импульсных стабилизаторах напряжения ключом (тран­зистором) управляют с помощью цепи обратной связи, которая изменяет длительность импульсов или пауз в соответствии с отклонением выходного напряжения от заданного, т.е. цепь об­ратной связи преобразует непрерывный сигнал (отклонение вы­ходного напряжения) в импульсный (дискретный). Это преобразование непрерывного сигнала в дискретный называется кван­тованием.

Таким образом, сигнал, подаваемый на базу регулирующего транзистора, изменяется дискретно в фиксированные моменты времени, определяемые периодом повторения импульсного сигнала. Если на базу транзистора подается импульсный сигнал с постоян­ной частотой повторения, а длительность импульса изменяется в зависимости от изменения выходного напряжения, такое уп­равление называется широтно-импулъсным. Преобразователь не­прерывного сигнала в дискретный называется широтно-импулъсным модулятором(ШИМ). Преобразование, в котором длительность импульса постоянна, а изменяется частота и, следовательно, дли­тельность паузы, называется частотно-импульсным. Сам преоб­разователь при этом называется частотно-импульсным модуля­тором (ЧИМ).

На практике имеется большое разнообразие схем, реализующих тот или иной принцип. Выбор схем управления регулирующим элементом зависит от значений напряжений и токов, а также от ряда других факторов, определяемых в каждом конкретном случае.

В схеме импульсного стабилизатора напряжения (рисунок 5.17, а) ключевым транзистором (ключом S) управляет регулирующий элемент непрерывного действия РИД. Часть выходного напряжения с делителя ДН поступает на вход усилителя постоянного тока УПТ, где сравнивается с опорным напряжением источника ИОН. Сигнал с выхода УПТ подается на регулятор непрерывного действия РНД, который управляет работой импульсного регулирующего элемента S. При воздействии выходного напряжения сигнал на выходе УПТ достигает верхнего порогового значения, срабатывает РИД и выключает регулирующий транзистор S. Напряжение на выходе стабилизатора начинает уменьшаться, так как снижается ток, протекающий через катушку индуктивности iL. Сигнал на выходе УПТ снижается до нижнего порога срабатывания РИД. На выходе РНД появляется импульс, включающий ключ S. Ток через индуктивность возрастает, увеличивается и напряжение на выходе стабилизатора.

Рис. 5.17. Структурная (а), принципиальная (б) схемы импульсного стабилизатора напряжения

Кроме формирования импульсов управления ключом, РНД осуществляет непрерывную регулировку выходного напряжения. Ток в катушке индуктивности совершает периодические колебания относительно среднего значения с частотой, равной частоте переключения. При замкнутом ключе ток iLнарастает, а при разомкнутом уменьшается. Так как РНД управляется по цепи обратной связи, то при увеличении тока iLснижается ток iр. Вследствие этого колебания выходного напряжения, вызванные прерывистым характером регулирования, оказываются в значи­тельной мере скомпенсированными регулятором непрерывного действия.

В схеме импульсного стабилизатора напряжения с дополни­тельным регулятором непрерывного действия (рисунок 5.17, 6) тран­зистор VT1(ключ) является импульсным регулирующим элементом. Усилитель УПТ выполнен на транзисторе VTЗ. Выходной делитель R4R5и источник опорного напряжения VD2 выполняют те же функции, что и в стабилизаторах с непрерывным регулированием.

Блокинг-генератор, формирующий импульсы управления клю­чом, выполнен на транзисторе VT2. Цепь перезаряда конденсатора С через транзистор VТ2 подключена к выходу стабилизатора. Скорость перезаряда конденсатора С определяет скважность им­пульсов блокинг-генератора. При замкнутом (открытом) положе­нии транзистора VT1часть его базового тока ответвляется в коллек­торную цепь транзистора VT1. Значение тока, протекающего через транзистор VТ2, зависит от сигнала, поступающего с выхода УПТ (транзистор VT3). Наряду с формированием импульсов управления для VT1транзистор VT2 играет роль элемента непрерывного дейст­вия.

Введение регулятора непрерывного действия в импульсный стабилизатор несколько снижает его к. п. д., так как на транзисторе VГ2 будет дополнительно рассеиваться мощность, равная

где IP-среднее значение тока через регулирующий элемент (транзистор VT1). Для уменьшения этой составляющей 2) ток Iр целесообразно уменьшить так, чтобы регулятор выполнял свою функцию непрерывного регулирования и в то же время он должен превышать амплитуду переменной составляющей тока дросселя iL: ,

Тогда минимальная мощность, выделяемая на непрерывном регулирующем элементе,

Для уменьше­ния этой мощности необходимо стремиться к возможно меньшей разности напряжений Uвх — Uвыхи к тому чтобы индуктивность дросселя была как можно большей.

Импульсные стабилизаторы имеют значительные преимущества перед стабилизаторами непрерывного регулирования. В них умень­шается мощность рассеивания на регулирующем транзисторе, снижаются масса и габаритные размеры, значительно повышается к. п. д. Эти стабилизаторы являются наиболее перспективными вторичными источниками питания и находят все более широкое применение.

Источник

Adblock
detector