Принцип действия импульсных стабилизаторов

В импульсных стабилизаторах (ИСН) регулирующий транзистор работает в режиме переключения, в результате чего рассеиваемая на нем мощность гораздо меньше, а КПД выше, чем в стабилизаторе с непрерывным регулированием. Структурная схема импульсного стабилизатора (рис.7, а) содержит силовую цепь и схему управления СУ.

Рис. 7.1

Силовая цепь состоит из регулирующего транзистора VT, дросселя фильтра Др, конденсатора С и обратного диода VD. При открытом транзисторе в течение времени t_оn энергия отвходного источника постоянного тока U_п передается в нагрузку через дроссель Др, в котором накапливается энергия. При закрытом транзисторе в течение времени t_off, накопленная в дросселе энергия поступает в нагрузку через диод VD.

Период коммутации

Частота коммутации

.

Отношение длительности открытого состояния транзистора, при котором генерируется импульс напряжения длительностью t_оn к периоду коммутации Т называется коэффициентом заполнения.

.

В импульсном стабилизаторе регулирующий элемент преобразует (модулирует) входное постоянное напряжение U_п в серию импульсов, а сглаживающий фильтр, состоящий из диода VD, дросселя Др и конденсатора С, демодулирует их опять в постоянное напряжение U_н. При изменении входного напряжения U_п или тока в нагрузке R_h с помощью цепи обратной связи (схемы управления СУ) длительность импульсов изменяется таким образом, что выходное напряжение U_н поддерживается постоянным с определенной степенью точности. В таком стабилизаторе U_н < U_п, поэтому он называется понижающем. Кроме того существуют повышающий (U_н>U_п) и инвертирующий стабилизаторы, силовые цепи которых состоят из тех же элементов, что и понижающего, но включенных в другом порядке. Чаще применяется понижающий стабилизатор, как имеющий меньшее внутреннее сопротивление.

В зависимости от способа стабилизации выходного напряжения различают стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ), релейные стабилизаторы.

В ИСН с ШИМ длительность импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра при постоянной частоте их следования обратно пропорциональна значению U_н (рис. 7.2, а).

Рис. 7.2

В ИСН с ЧИМ длительность импульсов напряжения является постоянной величиной, а интервалы между ними изменяются пропорционально, (частота обратно пропорционально) U_н (рис. 7.2, б).

В релейном стабилизаторе формирование импульсов происходит в моменты пересечения напряжением u_н двух горизонтальных уровней: нижнего – при формировании фронта и верхнего – при формировании среза. Поскольку изменение u_н в зависимости от U_п и I_н может быть различным, то и частота в такой системе регулирования может изменяться в широких пределах (рис. 7.2, в).

ИСН с ШИМ имеют следующие преимущества по сравнению со стабилизаторами двух других типов:

- обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота преобразования, которая является неизменной, что имеет существенное значение для большинства потребителей;

- реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИСН, что исключает опасность возникновения биений частот при питании нескольких ИСН от общего первичного источника.

Недостатком ИСН с ШИМ в отличие от стабилизаторов релейного типа является более сложная схема управления.

Однако в большинстве случаев схема управления, а иногда и весь стабилизатор представляют собой интегральную микросхему (ИМС), поэтому этим недостатком можно пренебречь.

Отсутствие у ЧИМ и релейных ИСН свойств, определяющих преимущества ИСН с ШИМ, является недостатком первых двух.

К недостаткам релейного стабилизатора относятся большие пульсации напряжения на нагрузке, а к его преимуществам – простота схемы управления.

В зависимости от индуктивности дросселя, тока нагрузки, частоты преобразования, входного и выходного напряжений все три типа импульсных стабилизаторов независимо от способа стабилизации выходного напряжения могут работать в режиме непрерывных или прерывистых токов, протекающих через дроссель. Временные диаграммы изменений токов и напряжений в установившемся режиме с непрерывным током дросселя для стабилизатора понижающего типа приведены на рис. 7.3.

В момент поступления импульса управляющего напряжения транзистор открывается и, поскольку диод VD из-за его инерционности не может мгновенно включаться, всё напряжение питания оказывается приложенным к переходу коллектор-эмиттер транзистора. Его коллекторный ток начинает резко возрастать до максимального значения I_кm, которое зависит от скорости нарастания базового тока, коэффициента усиления и частотных свойств транзистора, а также от времени рассасывания неосновных носителей t_р.д. в базовой области силового диода. Если частотные свойства транзистора намного хуже импульсных свойств диода, то выброс коллекторного тока может отсутствовать.

С момента t₂ обратный ток диода уменьшается до I_обр, коллекторный ток транзистора падает до I_lmin, а u_кэ до напряжения насыщения U_кн. В течение времени t₂ – t₃ ток, протекающий через дроссель, увеличивается до I_Lmax ,а напряжение на диоде равняется U_п - U_кн.

После окончания импульса u_y транзистор закрывается через время рассасывания t_p.т. и ток дросселя начинает спадать через открытый диод до I_Lmin. При этом напряжение U_кэ=U_п - U_пр. Затем весь процесс повторяется.

Если индуктивность дросселя будет меньше некоторой критической величины, возникает режим прерывистых токов (в некоторые отрезки времени i_L=0).

Недостатком режима прерывистых токов является увеличение пульсаций напряжения на нагрузке, так как в некоторые отрезки времени дроссель не участвует в сглаживании переменного напряжения. Поэтому при проектировании ИСН необходимо избегать режима прерывистых токов дросселя.

Рис. 7.3