Импульсные стабилизаторы напряжения

Рассмотренные выше стабилизаторы относятся к устройствам линейного типа, т. к. регулирующие элементы в них работают в линейном (не ключевом) режиме. Недостатком линейных стабилизаторов является относительно невысокий КПД, редко превышающий 70%. Это связано с мощностью, которая неизбежно рассеивается на регулирующем элементе. При рассмотрении ключевых каскадов отмечалось, что в идеальном случае на ключевом элементе мощность практически е рассеивается, поэтому стабилизаторы напряжения с регулирующим элементом, работающем в ключевом режиме, способны обеспечить КПД более 90%.

На рис.132 показана упрощенная структурная схема импульсного стабилизатора.

Рис. 132

Из схемы видно, то ключевой элемент включается последовательно с нагрузкой. Фильтр используется для уменьшения в выходном напряжении пульсаций с частотой коммутации ключевого элемента.

В импульсных стабилизаторах используются два основных способа обеспечения постоянства выходного напряжения: стабилизация с постоянной частотой импульсов управления ключевым элементом при переменной длительности этих импульсов и стабилизация с использованием импульсов постоянной длительности, но с переменной частотой следования. Первый способ является реализацией широтно-импульсного (ШИ) управления или широтно-импульсной модуляции (ЩИМ). В этом случае по мере увеличения тока, потребляемого нагрузкой стабилизатора, увеличивается коэффициент заполнения управляющих импульсов (рис. 133,а).

а)	б)
Рис. 133

При втором способе с ростом потребляемого нагрузкой тока возрастает частота следования управляющих импульсов (рис. 133,б). Тем самым увеличивается коэффициент заполнения. Однако переменность частоты является нежелательным фактором, т. к. затрудняет проектирование и работу фильтра.

Помимо описанных способов на практике используется так называемая дельта-сигма-модуляция, при которой изменяется как частота, так и длительность управляющих импульсов.

Рассмотрим основные схемы импульсных стабилизаторов. На рис. 134 показана упрощенная схема понижающего импульсного стабилизатора. Он обеспечивает получение выходного напряжения любой величины, меньшей входного напряжения. Однако выходной ток может превышать ток, потребляемый стабилизатором.

Работа данного устройства протекает следующим образом. Когда ключевой элемент замкнут, через катушку и нагрузку течет ток . По мере заряда конденсатора напряжение на нагрузке увеличивается. В момент, когда оно достигнет некоторого уровня , регулирующая схема закроет ключевой элемент. Исчезающее магнитное поле в катушке вследствие явления самоиндукции изменит полярность напряжения на катушке, и она через прямосмещенный диод начнет питать конденсатор и нагрузку.

Рис. 134

При снижении тока самоиндукции ниже потребляемого нагрузкой ее питание будет осуществляться от конденсатора . Когда из-за разряда конденсатора напряжение на нагрузке снизится до уровня , регулирующая схема вновь откроет регулирующий элемент и цикл работы стабилизатора повторится. Таким образом, в выходном напряжении импульсного стабилизатора постоянно присутствуют пульсации с частотой коммутации ключевого элемента и размахом . Для снижения этих пульсаций между стабилизатором и нагрузкой следует устанавливать дополнительные LC-фильтры. В ряде случаев может быть целесообразным последовательное включение импульсного и линейного стабилизаторов.

На рис. 135 приведена схема импульсного стабилизатора, выходное напряжение которого превышает входное.

Рис. 135

Когда ключевой элемент в данной схеме открыт, через катушку течет ток, величина которого определяется сопротивлением открытого ключевого элемента. При этом диод закрыт (т. к. напряжение на нагрузке больше падения напряжения на ключевом элементе) и нагрузка питается только от ранее заряженного конденсатора. Когда из-за разряда конденсатора напряжение на нагрузке уменьшится до величины , регулирующая схема закроет ключевой элемент. Вследствие явления самоиндукции напряжение на катушке сменит свою полярность — катушка как источник напряжения и источник будут включены последовательно. Конденсатор начнет заряжаться через прямосмещенный диод , напряжение на нагрузке начнет увеличиваться. Когда оно достигнет величины , произойдет открытие ключевого элемента. Цикл работы повторится.

Импульсные стабилизаторы позволяют менять (инвертировать) полярность выходного напряжения по отношению к входному. Упрощенная схема инвертирующего стабилизатора показана на рис. 136. Очевидно, питание нагрузки в этой схеме осуществляется только током самоиндукции катушки при закрытом ключевом элементе.

Рис. 136

Дата добавления: 2015-07-14