Импульсные стабилизаторы напряжения. В отличие от ранее рассмотренных линейных стабилизаторов в импульсных стабилизаторах напряжения транзистор

В отличие от ранее рассмотренных линейных стабилизаторов в импульсных стабилизаторах напряжения транзистор, через который течет ток в нагрузку, периодически открывается и закрывается, т.е. работает в ключевом режиме. Причем регулирование осуществляется путем изменения паузы, в течение которой через ключевой транзистор течет ток нагрузки от источника постоянного входного напряжения. Таким образом, транзистор работает не в линейном, а в импульсном режиме: он либо полностью открыт, либо полностью закрыт. В таких стабилизаторах среднее значение напряжения на нагрузке U_вых = U_вхt/T, где Т — период следования импульсов; t — продолжительность замкнутого состояния ключа.

Импульсные стабилизаторы обеспечивают более высокий КПД, так как в полностью открытом состоянии на транзисторе падает очень небольшое напряжение, а следовательно, мощность, рассеиваемая на транзисторе, гораздо меньше той мощности, которая рассеивается в линейных стабилизаторах.

Рис. 2.32. Импульсный стабилизатор напряжения (а) и происходящие в нем процессы (б)

Поскольку регулирование осуществляется путем изменения ширины импульсов t, этот принцип работы получил название широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Импульсные стабилизаторы (рис. 2.32), так же как и линейные, являются компенсационными. Сигнал рассогласования U_р, образованный сравнивающим элементом СЭ и усиленный усилителем У, преобразуется в импульсы, следующие с одинаковой частотой, длительность которых t_вкл изменяется под действием сигнала рассогласования. Эти импульсы открывают и закрывают ключевой транзистор VТ, который вместе с диодом VD и LC-фильтром образует импульсный регулирующий элемент.

Пока напряжение пилообразного напряжения U_п <U_р (участок t₀ — t₁ на рис. 2.32, б), транзистор заперт. В течение времени t₁ — t₃, когда U_п > U_р, транзистор открыт, и напряжение U_вх приложено к дросселю. Под действием U_вх диод VD запирается, а ток через дроссель i_др увеличивается, запасая энергию в индуктивности. До тех пор, пока ток дросселя не достигнет значения постоянного тока нагрузки I_н (участок t₁ — t₂), конденсатор С разряжается на нагрузку и напряжение на нем U_C снижается. С момента времени t₂, когда i_др > I_н, конденсатор начнет подзаряжаться разностью токов i_др – I_н. В момент t₃ запирания транзистора ЭДС самоиндукции дросселя открывает диод и ток дросселя, замыкаясь через диод, протекает по нагрузке и до момента t₄ продолжает заряжать конденсатор, отдавая ему запасенную дросселем энергию. На участке t₄ – t₅ ток дросселя меньше тока нагрузки и нагрузка подпитывается током разрядки конденсатора. С момента t₅ процесс повторяется.

Пусть выходное напряжение станет меньше заданного значения и напряжение рассогласования U_р уменьшится на величину –ΔU_р. Тогда момент времени, когда пилообразное напряжение, формируемое ГПН, станет равным напряжению U_р, наступит раньше, а время открытого состояния транзистора t_вкл, формируемого ШИМ, увеличится. Это приведет к возрастанию выходного напряжения U_вых и восстановлению его заданного значения. Если же выходное напряжение увеличится, напряжение рассогласования также увеличится на величину +ΔU_р. Это приведет к тому, что момент открытия транзистора, формируемый ШИМ, наступит позже, а время открытого состояния транзистора t_вкл уменьшится. В результате выходное напряжение уменьшится и его заданное значение восстановится.