Это стабилизатор повышающего типа.

Рис. 2.4.22.

В инвертирующем стабилизаторе (рис. 2.4.22) при открытом VT в течение gT в дросселе запасается энергия, U_L= U_вх, конденсатор разряжается на нагрузку. При закрытом VT в дросселе индуцируется ЭДС с обратным знаком. U_L= U_вых в течение T-gT. Конденсатор заряжается от дросселя через открытый диод. Так как постоянная составляющая напряжения на дросселе равна нулю,

U_вх gT= U_вых (T-gT)

U_вых = U_вх g/(1-g). (2.4.17)

Величина выходного напряжения может быть больше входного, если g>0,5 и меньше входного, если g<0,5. 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. При этом 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. Хуже то, что VT испытывает большую кратковременную перегрузку по току. Когда на базу закрытого VT поступает управляющий импульс, открывающий его, i_к начинает нарастать, а ток через блокирующий диод VD убывать. Поскольку VD еще открыт, транзистор работает в режиме короткого замыкания и к нему приложено U_вх. При этом I_к может в 5-10 раз превосходить I_н. Таким образом, инерционность реальных диодов является основной причиной коммутационных перегрузок регулируемых транзисторов. Эти перегрузки будут тем больше, чем лучше импульсные свойства транзистора 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. 2.4.23.

Рис. 2.4.23.

L_доп уменьшает скорость нарастания тока коллектора R_доп обеспечивает запирание VD_доп к моменту открывания транзистора VT. Разряд дросселя происходит при закрытом транзисторе через диод VD_доп на R_доп. В коллекторную или эмиттерную цепь может быть введен двухобмоточный дроссель (рис. 2.4.24).

Рис. 2.4.23.

Электромагнитная энергия, накопленная в L_доп, при протекании тока через транзистор возвращается обратно в источник при закрытом VT. По сравнению с предыдущим случаем КПД стабилизатора увеличивается за счет исключения потерь мощности в R_доп. При протекании тока через VD_допU_кэмакс= U_вх + U_вх W1/W2. Для уменьшения U_кэмакс соотношение между W1 и W2 должно быть W2 » (5-10)W1. При этом амплитуда напряжения на закрытом диоде U_доп=(5-10) U_вх.

С целью уменьшения U_кн, t_вкл и I_кэ0 запирание регулируемого транзистора производится подключением к переходу база-эмиттер источника запирающего напряжения (рис. 2.4.25,а).

Рис. 2.4.25

Когда VT1 открыт, VT2 закрыт, C1 заряжается током базы I_б1. При отпирании VT2 U_c1 закрывает VT1. Однако U_c1 может изменяться в зависимости от величины входного напряжения и уменьшаться, разряжаясь на R1. Поэтому вместо R1 включают стабилитрон или диоды в прямом направлении (рис. 2.4.25,б).

Хотя импульсные стабилизаторы экономичнее линейных, 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 выходного напряжения.

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 2.4.1 приведены основные характеристики ИМС импульсных стабилизаторов этих трех групп. Повышающие импульсные стабилизаторы 1446ПН1, 1446ПН2 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 2.4.1

Основные характеристики ИМС управления импульсными стабилизаторами

Наиболее универсальными являются ИМС второй группы, которые 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.2.4.26. Микросхема представляет собой набор типовых блоков импульсного стабилизатора, расположенных на одном кристалле. В состав ИМС входят следующие узлы и блоки: источник опорного напряжения 1,25 В; операционный усилитель с напряжением смещения 4 мВ, коэффициентом усиления больше 200 тыс., скоростью нарастания 0,6 В/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. 2.4.26.

Микросхема может управлять внешним биполярным или полевым транзистором, если требуется выходной ток больше 1,5 А и напряжение выше 40 В.

ИМС 142ЕП1 использована в схеме ИСН релейного типа, структурная схема которого приведена на рис. 2.4.27.

Рис. 2.4.27. 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 дросселя, ограничивающего скорость нарастания тока I_к 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.