16.5. ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Принцип последовательной стабилизации напряжения состоит в том, что формируется постоянное напряжение, минимальное значение которого превышает требуемый уровень стабилизированного напряжения. Разность этих напряжений падает на мощном регулирующем транзисторе, который включается последовательно с нагрузкой. Мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, является достаточно большой. Это определяет относительно невысокий, особенно при стабилизации малых напряжений, коэффициент полезного действия, часто не превышающий 50%.

Существенно больших значений коэффициента полезного действия стабилизатора напряжения можно достичь, если регулирующий постоянное напряжение транзистор заменить импульсным коммутатором. Среднее значение выходного напряжения в такой схеме регулируется тем, что коммутатор периодически открывается и закрывается, а отношение времени его открытого состояния к периоду повторения может регулироваться. После коммутатора в такую схему включается фильтр, сглаживающий пульсации выходного напряжения. Чтобы не возникало потерь мощности, используют, как правило, фильтры LC-типа. Описанный принцип предусматривает включение коммутатора в цепь вторичной обмотки сетевого трансформатора, поэтому такие стабилизаторы напряжения называют вторичными.

В сетевых источниках питания следует учитывать мощность потерь силового трансформатора. Она может быть существенно снижена, если рабочая частота трансформатора составляет несколько килогерц, так как при этом его обмотки имеют меньшее число вигков. Сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается непосредственно на первичной стороне, а затем с помощью транзисторного коммутатора преобразуется в высокочастотное переменное напряжение, которое и подается на соответственно рассчитанный силовой трансформатор. Для стабилизации выпрямленного сетевого напряжения на первичной стороне силового трансформатора используют импульсный транзисторный регулятор с изменяемой длительностью включения коммутатора. Такие стабилизаторы называют первичными. Они имеют высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 80%. Еще одно преимущество таких источников питания состоит в том, что значительно снижаются габариты и вес используемых в них силовых трансформаторов.

16.5.1. ВТОРИЧНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

На рис. 16.30 показана принципиальная схема регулирования выходного напряжения с помощью импульсного стабилизатора. Транзистор Ту переключается с частотой около 20 кГц из полностью запертого в полностью открытое состояние. Диод D предотвращает появление высокого напряжения самоиндукции дросселя при закрывании транзистора, так как ток дросселя, замыкаясь через диод, может продолжать течь по нему. Таким образом, в течение времени, когда транзистор Т

Рис. 16.30. Принцип работы импульсного вторичного стабилизатора.

закрыт ток нагрузки обеспечивается не только за счет емкости конденсатора, но и за счет самоиндукции дросселя. Это обусловливает хорошее сглаживание выходного напряжения без потерь мощности.

На рис. 16.31 представлена блок-схема устройства управления стабилизатора. Оно осуществляет сравнение выходного напряжения с опорным; если выходное напряжение меньше опорного, то модулятор устройства управления увеличивает отношение времени открытого состояния транзистора к периоду тактового генератора для импульсов управляющего напряжения Частота импульсов управляющего напряжения остается при этом постоянной. Она задается тактовым генератором.

Для расчета импульсного регулятора напряжения выясним, как зависит от времени ток, протекающий через дроссель. При этом будем сначала исходить из того, что емкость конденсатора бесконечно велика и пульсации выходного напряжения поэтому равны нулю.

Рис. 16.31. Блок-схема устройства управления.

Согласно закону электромагнитной индукции

В течение времени, когда коммутирующий транзистор заперт,

Ток дросселя, таким образом, снижается линейно во времени:

В течение времени, когда коммутирующий транзистор открыт,

В это время ток дросселя возрастает также линейно во времени:

График зависимости тока дросселя от времени изображен на рис. 16.32.

Согласно формулам (16.17) и (16.18),

Рис. 16.32. Временная диаграмма напряжений и токов в импульсном стабилизаторе напряжения.

Из этого соотношения следует

Таким образом, выходное напряжение импульсного стабилизатора напряжения прямо пропорционально коэффициенту заполнения импульсов коммутатора и не зависит от выходного тока, пока

Ток через открытый коммутирующий транзистор равен сумме тока нагрузки и тока заряда конденсатора. Отношение

будет тем больше, чем меньше величина индуктивности дросселя Величину а следует ограничивать значением 1,2, чтобы не завышать требуемых параметров транзистора коммутатора. Для определения величины рассмотрим соотношение, очевидное из рис. 16.32,

Подставив соответствующие выражения из формул (16.19) и (16.20), получим

где величина сопротивления нагрузки.

При конечной величине емкости конденсатора на выходе стабилизатора будут иметь место пульсации напряжения. Ток заряда конденсатора составляет

Периоды заряда и разряда конденсатора соответствуют на рис. 16.32 заштрихованным областям на графике тока Для величины напряжения пульсаций выходного напряжения справедливо следующее соотношение:

Подставив соответствующие выражения из формул (16.19) и (16.20), получим

Так как здесь не учитывается омическое сопротивление конденсатора, то фактически измеренная величина напряжения пульсаций окажется несколько превышающей рассчитанную величину.

В отличие от непрерывного последовательного стабилизатора напряжения средний ток, протекающий через коммутирующий транзистор, получается меньшим, чем выходной ток. Пренебрегая потерями, можно записать следующее соотношение баланса мощности

Отсюда следует, что

Расчет импульсного стабилизатора напряжения следует проиллюстрировать числовым примером. Допустим, что требуется стабилизированное напряжение 5 В при токе нагрузки 5 А. Нестабилизированное входное напряжение равно 10 В. Частота генератора возбуждения составляет Выберем в качестве коэффициента перерегулирования тока величину При этих параметрах из формулы (16.21) получим величину индуктивности дросселя Максимальная величина накапливаемой такой индуктивностью энергии составляет Эту величину необходимо знать для выбора сердечника дросселя.

Допустим, что напряжение пульсаций выходного напряжения не должно превышать Тогда из формулы (16.22) минимально необходимая величина емкости конденсатора С составит

Импульсный стабилизатор с повышением напряжения

В описанной выше схеме стабилизатора, которая изображена на рис. 16.30, выходное напряжение всегда ниже входного.

Рис. 16.33. Схема импульсного стабилизатора для повышения входного напряжения.

Рис. 16.34. Схема импульсного стабилизатора для получения отрицательного выходного напряжения при положительном входном напряжении.

Изменив расположение элементов в схеме, можно, используя свойство самоиндукции получить выходное напряжение большее, чем входное. Когда в схеме, изображенной на рис. 16.33, транзистор запирается, потенциал на его коллекторе поднимается до величины, превышающей входное напряжение. При этом через диод D заряжается конденсатор С. Как и при выводе соотношений (16.17) и (16.18), для величины выходного напряжения можно записать

Остальные параметры схемы получаются так же, как соответствующие параметры ранее рассмотренной цепи стабилизатора.

Импульсный стабилизатор с инвертированием напряжения

Использование явления самоиндукции позволяет также при помощи импульсного регулятора напряжения получить из положительного входного напряжения отрицательное выходное. Схема такого варианта стабилизатора представлена на рис. 16.34. Когда транзистор закрывается, вследствие явления самоиндукции на коллекторе транзистора появляется отрицательный потенциал. При этом диод D открывается, и конденсатор заряжается до некоторого отрицательного напряжения. Для величины выходного напряжения справедливо следующее соотношение:

Устройство управления для всех трех схем стабилизаторов одинаково. Оно может быть выполнено в виде монолитной интегральной схемы, например типа TL 497 фирмы Texas Instruments или фирмы Fairchild.