Шим стабилизатор напряжения схема. Импульсные стабилизаторы на ШИМ-контроллере КР1114ЕУ4

Потребовалось мне сделать регулятор скорости для пропеллера. Чтобы дым от паяльника сдувать, да морду лица вентилировать. Ну и, для прикола, уложить все в минимальную стоимость. Проще всего маломощный двигатель постоянного тока, конечно, регулировать переменным резистором, но найти резюк на такой малый номинал, да еще нужной мощности это надо сильно постараться, да и стоить он будет явно не десять рублей. Поэтому наш выбор ШИМ + MOSFET.

Ключ я взял IRF630 . Почему именно этот MOSFET ? Да просто у меня их откуда то завелось штук десять. Вот и применяю, так то можно поставить что либо менее габаритное и маломощное. Т.к. ток тут вряд ли будет больше ампера, а IRF630 способен протащить через себя под 9А. Зато можно будет сделать целый каскад из вентиляторов, подсоединив их к одной крутилке — мощи хватит:)

Теперь пришло время подумать о том, чем мы будем делать ШИМ . Сразу напрашивается мысль — микроконтроллером. Взять какой-нибудь Tiny12 и сделать на нем. Мысль я эту отбросил мгновенно.

1. Тратить такую ценную и дорогую деталь на какой то вентилятор мне западло. Я для микроконтроллера поинтересней задачу найду
2. Еще софт под это писать, вдвойне западло.
3. Напряжение питания там 12 вольт, понижать его для питания МК до 5 вольт это вообще уже лениво
4. IRF630 не откроется от 5 вольт, поэтому тут пришлось бы еще и транзистор ставить, чтобы он подавал высокий потенциал на затвор полевика. Нафиг нафиг.

Остается аналоговая схема. А что, тоже неплохо. Наладки не требует, мы же не высокоточный девайс делаем. Детали тоже минимальные. Надо только прикинуть на чем делать.

Операционные усилители можно отбросить сразу. Дело в том, что у ОУ общего назначения уже после 8-10кГц, как правило, предельное выходное напряжение начинает резко заваливаться, а нам надо полевик дрыгать. Да еще на сверхзвуковой частоте, чтобы не пищало.

ОУ лишенные такого недостатка стоят столько, что на эти деньги можно с десяток крутейших микроконтроллеров купить. В топку!

Остаются компараторы, они не обладают способностью операционника плавно менять выходное напряжение, могут только сравнивать две напруги и замыкать выходной транзистор по итогам сравнения, но зато делают это быстро и без завала характеристики. Пошарил по сусекам и компараторов не нашел. Засада! Точнее был LM339 , но он был в большом корпусе, а впаивать микросхему больше чем на 8 ног на такую простую задачу мне религия не позволяет. В лабаз тащиться тоже было влом. Что делать?

И тут я вспомнил про такую замечательную вещь как аналоговый таймер — NE555 . Представляет собой своеобразный генератор, где можно комбинацией резисторов и конденсатором задавать частоту, а также длительность импульса и паузы. Сколько на этом таймере разной хрени сделали, за его более чем тридцатилетнюю историю… До сих пор эта микросхема, несмотря на почтенный возраст, штампуется миллионными тиражами и есть практически в каждом лабазе по цене в считанные рубли. У нас, например, он стоит около 5 рублей. Порылся по сусекам и нашел пару штук. О! Щас и замутим.

Как это работает
Если не вникать глубоко в структуру таймера 555, то несложно. Грубо говоря, таймер следит за напряжением на конденсаторе С1, которое снимает с вывода THR (THRESHOLD — порог). Как только оно достигнет максимума (кондер заряжен), так открывается внутренний транзистор. Который замыкает вывод DIS (DISCHARGE — разряд) на землю. При этом на выходе OUT появляется логический ноль. Конденсатор начинает разряжаться через DIS и когда напряжение на нем станет равно нулю (полный разряд) система перекинется в противоположное состояние — на выходе 1, транзистор закрыт. Конденсатор начинает снова заряжаться и все повторяется вновь.
Заряд конденсатора С1 идет по пути: «R4->верхнее плечо R1 ->D2 «, а разряд по пути: D1 -> нижнее плечо R1 -> DIS . Когда мы крутим переменный резистор R1 то у нас меняются соотношения сопротивлений верхнего и нижнего плеча. Что, соответственно, меняет отношение длины импульса к паузе.
Частота задается в основном конденсатором С1 и еще немного зависит от величины сопротивления R1.
Резистор R3 обеспечивает подтяжку выхода к высокому уровню — так так там выход с открытым коллектором. Который не способен самостоятельно выставить высокий уровень.

Диоды можно ставить любые совершенно, кондеры примерно такого номинала, отклонения в пределах одного порядка не влияют особо на качество работы. На 4.7нанофарадах, поставленных в С1, например, частота снижается до 18кГц, но ее почти не слышно, видать слух у меня уже не идеальный:(

Покопался в закромах, которая сама расчитывает параметры работы таймера NE555 и собрал схему оттуда, для астабильного режима со коэффициентом заполнения меньше 50%, да вкрутил там вместо R1 и R2 переменный резистор, которым у меня менялась скважность выходного сигнала. Надо только обратить внимание на то, что выход DIS (DISCHARGE) через внутренний ключ таймера подключен на землю, поэтому нельзя было его сажать напрямую к потенциометру , т.к. при закручивании регулятора в крайнее положение этот вывод бы сажался на Vcc. А когда транзистор откроется, то будет натуральное КЗ и таймер с красивым пшиком испустит волшебный дым, на котором, как известно, работает вся электроника. Как только дым покидает микросхему — она перестает работать. Вот так то. Посему берем и добавляем еще один резистор на один килоом. Погоды в регулировании он не сделает, а от перегорания защитит.

Сказано — сделано. Вытравил плату, впаял компоненты:

Снизу все просто.
Вот и печатку прилагаю, в родимом Sprint Layout —

А это напряжение на движке. Видно небольшой переходный процесс. Надо кондерчик поставить в параллель на пол микрофарады и его сгладит.

Как видно, частота плывет — оно и понятно, у нас ведь частота работы зависит от резисторов и конденсатора, а раз они меняются, то и частота уплывает, но это не беда. Во всем диапазоне регулирования она ни разу не влазит в слышимый диапазон. А вся конструкция обошлась в 35 рублей, не считая корпуса. Так что — Profit!

Сам принцип широтно-импульсного моделирования (ШИМ) известен уже давно, но применяться в различных схемах он стал относительно недавно. Он является ключевым моментом для работы многих устройств, используемых в различных сферах: источники бесперебойного питания различной мощности, частотные преобразователи, системы регулирования напряжения, тока или оборотов, лабораторные преобразователи частоты и т.д. Он прекрасно показал себя в автомобилестроении и на производстве в качестве элемента для управления работой как сервисных, так и мощных электродвигателей. ШИМ-регулятор хорошо зарекомендовал себя при работе в различных цепях.

Давайте рассмотрим несколько практических примеров, показывающих, как можно регулировать скорость вращения электродвигателя с помощью электронных схем, в состав которых входит ШИМ-регулятор. Предположим, что вам необходимо изменить обороты электродвигателя в системе отопления салона вашего автомобиля. Достаточно полезное усовершенствование, не правда ли? Особенно в межсезонье, когда хочется регулировать температуру в салоне плавно. Двигатель постоянного тока, установленный в этой системе, позволяет изменять обороты, но необходимо повлиять на его ЭДС. С помощью современных электронных элементов эту задачу легко выполнить. Для этого в двигателя включается мощный полевой транзистор. Управляет им, как вы уже догадались, ШИМ- С его помощью можно менять обороты электродвигателя в широких пределах.

Каким образом работает ШИМ-регулятор в цепях В этом случае используется несколько иная схема регулирования, но принцип работы остается тем же. В качестве примера можно рассмотреть работу частотного преобразователя. Такие устройства широко применяются на производстве для регулирования скорости двигателей. Для начала трехфазное напряжение выпрямляется с помощью моста Ларионова и частично сглаживается. И только после этого подается на мощную двуполярную сборку или модуль на базе полевых транзисторов. Управляет же им собранный на базе микроконтроллера. Он и формирует контрольные импульсы, их ширину и частоту, необходимую для формирования определенной скорости электродвигателя.

К сожалению, помимо хороших эксплуатационных характеристик, в схемах, где используется ШИМ-регулятор обычно появляются сильные помехи в силовой цепи. Это связано с наличием индуктивности в обмотках электродвигателей и самой линии. Борются с этим самыми разнообразными схемными решениями: устанавливают мощные сетевые фильтры в цепях переменного тока или ставят обратный диод параллельно двигателю в цепях постоянного электропитания.

Такие схемы отличаются достаточно высокой надежностью в работе и являются инновационными в сфере управления электроприводами различной мощности. Они достаточно компактны и хорошо управляемы. Последние модификации таких устройств широко применяются на производстве.

Использование схем сдвига уровня позволяет ШИМ-контроллеру управлять напряжением выше, чем его собственное напряжение питания.

Наиболее часто используемым импульсным стабилизатором является понижающий преобразователь напряжения, который эффективно преобразует высокое напряжение в низкое напряжение. На рис. 1 показана типичная схема понижающего преобразователя напряжения, в которой для затвора N-канального MOSFET-транзистора, Q 1 , требуется плавающее управляющее напряжение. Буфер сигнала с плавающим уровнем является частью ИС ШИМ (широтно-импульсная модуляция) контроллера. Транзистор Q 1 может быть как с N- так и с P-каналом, в зависимости от особенностей изготовления контроллера. В любом случае, напряжение питания ИС должно быть не ниже входного напряжения, что накладывает серьезные ограничения на величину входного напряжения в данной схеме.

В схеме на рис. 2 используется простейший каскад сдвига уровня, который позволяет управлять проходным транзистором понижающего преобразователя при помощи микросхемы контроллера с низким напряжением питания. Поскольку схема сдвига уровня изолирует ИС ШИМ от источника высокого напряжения, то по такому принципу можно строить преобразователи с произвольно большим входным напряжением.

ИС ШИМ с драйверами нижнего плеча может управлять N-канальными MOSFET-транзисторами, поскольку они имеют положительное управляющее напряжение между истоком и затвором. В схеме на рис. 2 используется P-канальный транзистор, как MOSFET-транзистор верхнего плеча; и для него управляющее напряжение между истоком и затвором должно быть отрицательным. Поэтому, следует инвертировать выходной сигнал от ШИМ-контроллера. Конфигурация ключа из комплементарных MOSFET-транзисторов Q 2 и Q 3 будет работать при любом типе проходного транзистора, хотя можно использовать и инвертирующий драйвер.

Конденсатор C 2 осуществляет сдвиг уровня. Его величина должна быть достаточно большой, чтобы удерживать заряд на частоте преобразования, но достаточно маленькой, чтобы, напряжение на нем следовало за изменениями входного напряжения. Через резистор R 1 и P-канальный MOSFET-транзистор Q 3 конденсатор C 2 заряжается до напряжения

V C =V IN -V CC ,

где V C - напряжение на C 2 , V IN - входное напряжение, и V CC напряжение питания комплементарной пары Q 2 и Q 3 и ИС ШИМ. Напряжение питания должно быть меньше, чем напряжение стабилизации стабилитрона D 2 . В противном случае, в те моменты, когда транзистор Q 2 будет находиться в открытом состоянии, через стабилитрон D 2 и конденсатор C 2 , что приведет к снижению КПД схемы. Стабилитрон D 2 ограничивает напряжение на C 2 до значения, получаемого из приведенной выше формулы. Когда транзистор Q 3 открыт, стабилитрон D 2 становится прямосмещенным, если напряжение пытается увеличиваться. Напряжение между истоком и затвором транзистора Q 1 в этой схеме равно 0 В, когда открыт транзистор Q 3 , и -V CC , когда открыт транзистор Q 2 .

Резистор R 1 гарантирует, что емкость затвор-исток транзистора Q 1 будет разряжаться, что позволит транзистору Q 1 оставаться в выключенном состоянии, когда на выходе буферного каскада присутствует высокое выходное напряжение. Стабилитрон D 2 ограничивает напряжение между истоком и затвором транзистора Q 1 на уровне 12 В, независимо от входного напряжения стабилизатора. Конденсатор C 2 сглаживает пульсации напряжения на затворе транзистора Q 1 , поэтому параметры схемы управления затвором будут такие же, как и параметры самой схемы комплементарного ключа. Поэтому, схема сдвига уровня не налагает никаких ограничений на используемый MOSFET-транзистор.

На рис. 3 изображена практическая схема понижающего преобразователь напряжения, использующего рассмотренный принцип управления проходным транзистором. Входное напряжение преобразователя может находиться в диапазоне от 18 В до 45 В, при выходном напряжении 12 В и максимальном токе нагрузки 1,5 А. В преобразователе использована микросхема LM5020-1 прямо- и обратноходового ШИМ-контроллера компании National Semiconductor.

На рассматриваемой схеме имеются все те же компоненты, что и на предыдущих схемах, но добавлены еще некоторые функции, такие как: фильтрация входного напряжения конденсатором C 9 ; ограничение бросков входного напряжения резисторами R 2 и R 7 ; обеспечение мягкого запуска с помощь конденсатора C 3 ; возможность регулировки частоты преобразования резистором R3 (для частоты 500 кГц его значение будет составлять 12.7 кΩ); компенсация обратной связи конденсаторами C 7 , C 8 , и резистором R 6 ; и подстройка значения выходного напряжения резисторами R 9 и R 10 .

Микросхема LM5020-1 предназначена для работы в режиме токового управления, но, в этой схеме, работает в режиме управления напряжения. Внутренний источник образцового тока с пиковым значением 50 А, который компенсирует нелинейность токового сигнала, используется для генератора пилообразного напряжения. Этот ток, протекая через резистор R 4 , сопротивлением 5.11 кΩ и внутренний резистор сопротивлением 2 кΩ, служит для генерации пилообразного сигнала, с напряжением от пика до пика (50 ´А×2 кΩ+5.11 кΩ)≈300 мV на выходе CS (вывод 8). На выводе COMP, (вывод 3), этот пилообразный сигнал сравнивается с выходным напряжением ошибки с вывода COMP, в результате чего генерируется сигнал с необходимой шириной импульса для управления проходным транзистором Q 1 .

На рис. 4 показаны эпюры напряжений для рассматриваемой схемы. Канал 1 осциллографа (верхний график) показывает управляющий сигнал, который генерирует микросхема LM5020-1. Канал 2 (средний график) показывает соответствующее напряжение на выходе двухтактного буферного каскада. Канал 3 (нижний график) сдвинутое по уровню выходное напряжение двухтактного каскада, приложенное между затвором и истоком транзистора Q 1 . Пиковое значение напряжения исток-сток транзистора Q 1 равно входному напряжению, и его амплитуда на 8 В превышает, значение управляющего сигнала, который выдает микросхема LM5020-1. Все сигналы чистые и имеют малое время нарастания и спада. КПД данной схемы составляет 86% и 83% при входном напряжении 18 В и 45 В, соответственно.

В настоящее время на рынке широко представлены микросхемы (отечественные и импортные), которые реализуют различный набор функций ШИМ-управления для импульсных источников питания. Среди микросхем подобного типа КР1114ЕУ4 (производитель. ЗАО "Кремний-Маркетинг", Россия) достаточно популярна. Ее импортный аналог - TL494CN (Texas Instrument). Кроме того, она выпускается рядом фирм под разными наименованиями. Например, (Япония) выпускает микросхему IR3M02, (Корея) - КА7500, ф. Fujitsu (Япония) МВ3759.

Микросхема КР1114ЕУ4 (TL494) представляет из себя ШИМ-контроллер импульсного источника питания, работающий на фиксированной частоте. Структура микросхемы приведена на рис.1.

На базе данной микросхемы можно разрабатывать схемы управления для двухтактных и однотактных импульсных источников питания. Микросхема реализует полный набор функций ШИМ-управления: формирование опорного напряжения, усиление сигнала ошибки, формирование пилообразного напряжения, ШИМ-модуляцию, формирование 2-тактного выхода, защиту от сквозных токов и пр. Выпускается в 16-выводном корпусе, цоколевка представлена на рис.2.

Встроенный генератор пилообразного напряжения требует для установки частоты только двух внешних компонентов - Rt и Ct.Частота генератора определяется по формуле:

Для дистанционного выключения генератора можно внешним ключом замкнуть вход RT (вывод 6) на выход ИОНа (вывод 14) или замкнуть вход СТ (вывод 5) на общий провод.

Микросхема имеет встроенный источник опорного напряжения (Uref=5,0 В), способный обеспечить вытекающий ток до 10 мА для смещения внешних компонентов схемы. Опорное напряжение имеет погрешность 5% в диапазоне рабочих температур от 0 до +70°С.

Структурная схема импульсного понижающего стабилизатора приведена на рис.3.

Регулирующий элемент РЭ преобразует входное постоянное напряжение UBX в последовательность импульсов определенной длительности и частоты, а сглаживающий фильтр (дроссель L1и конденсатор С1 преобразует их опять в выходное постоянное напряжение. Диод VD1 замыкает цепь тока через дроссель при выключении РЭ. С помощью обратной связи схема управления СУ управляет регулирующим элементом таким образом, что в итоге получается заданная стабильность выходного напряжения Uн.

Стабилизаторы, в зависимости от способа стабилизации, могут быть релейными, с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) и с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ). В стабилизаторах с ШИМ частота импульсов (период) - величина постоянная, а их длительность обратно пропорциональна значению выходного напряжения. На рис.4 показаны импульсы с различным коэффициентом заполнения Кs.

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

• частота преобразования оптимальна (с точки зрения КПД), определяется внутренним генератором схемы управления и не зависит от каких-либо других факторов;
• частота пульсации на нагрузке является величиной постоянной, что удобно для построения подавляющих фильтров;
• возможна синхронизация частот преобразования неограниченного количества стабилизаторов, что исключает возникновение биений при питании нескольких стабилизаторов от общего первичного источника постоянного тока.

Единственно, схемы с ШИМ отличаются сравнительно сложной схемой управления. Но разработка интегральных микросхем типа КР1114ЕУ4, содержащих внутри большую часть узлов СУ с ШИМ, позволяет значительно упростить импульсные стабилизаторы.

Схема импульсного понижающего стабилизатора на базе КР1114ЕУ4 приведена на рис.5.

Максимальное входное напряжение стабилизатора - 30 В, оно ограничено предельно допустимым напряжением сток-исток р-канального полевого транзистораVT1 (RFP60P03). Резистор R3 и конденсатор С5 задают частоту генератора пилообразного напряжения, которая определяется по формуле (1). С источника опорного напряжения (вывода 14) D1 через резистивный делитель R6-R7 на инвертирующий вход первого усилителя ошибки (вывод 2) подается часть образцового напряжения. Сигнал обратной связи через делитель R8-R9 подается на неинвертирующий вход первого усилителя ошибки (вывод 1) микросхемы. Выходное напряжение регулируется резистором R7.Резистор R5 и конденсатор С6 осуществляют частотную коррекцию первого усилителя.

Следует отметить, что независимые выходные формирователи микросхемы обеспечивают работу выходного каскада как в двухтактном, так и в однотактном режимах. В стабилизаторе выходной формирователь микросхемы включен в однотактном режиме. Для этого вывод 13 включен на общий провод. Два выходных транзистора (их коллекторы - выводы 8, 11, эмиттеры - выводы 9, 10) включены по схеме с общим эмиттером и работают параллельно. При этом выходная частота равна частоте генератора. Выходной каскад микросхемы через резистивный делитель

R1-R2 управляет регулирующим элементом стабилизатора - полевым транзистором VT1. Для более устойчивой работы стабилизатора по питанию микросхемы (вывод 12) включен LC-фильтр L1-C2-C3. Как видно из схемы, при применении КР1114ЕУ4 требуется сравнительное небольшое число внешних элементов. Уменьшить коммутационные потери и повысить КПД стабилизатора удалось благодаря использованию диода Шоттки (VD2) КД2998Б (Unp=0,54 В, Uобр=30 В, lпр=30 A, fmax=200кГц).

Для защиты стабилизатора от перегрузки по току применен самовосстанавливающийся предохранитель FU1 MF-R400. Принцип работы подобных предохранителей основан на свойстве резко увеличивать свое сопротивление под воздействием определенного значения тока или температуры окружающей среды и автоматически восстанавливать свои свойства при устранения этих причин.

Стабилизатор имеет максимальный КПД (около 90%) на частоте 12 кГц, а КПД при выходной мощности до 10 Вт (Uвых=10 В) достигает 93%.

Детали и конструкция. Постоянные резисторы - типа С2-ЗЗН, переменные - СП5-3 или СП5-2ВА. Конденсаторы С1 С3, С5-К50-35; С4, С6, С7 -К10-17. Диод VD2 можно заменить любым другим диодом Шоттки с параметрами не хуже вышеуказанных, например, 20TQ045. Микросхема КР1114ЕУ4 заменяется на TL494LN или на TL494CN. Дроссель L1 - ДМ-0,1-80 (0,1 А, 80 мкГн). Дроссель L2 индуктивностью порядка 220 мкГн выполнен на двух сложенных вместе кольцевых магнитопроводах. МП-140 К24х13x6,5 и содержит 45 витков провода ПЭТВ-2 01,1 мм, уложенных равномерно в два слоя по всему периметру кольца. Между слоями проложены два слоя лакоткани. ЛШМС-105-0.06 ГОСТ 2214-78. Самовосстанавливающийся предохранитель типа MF-RXXX можно подобрать для каждого конкретного случая.

Стабилизатор выполнен на макетной плате размерами 55x55 мм. Транзистор устанавливается на радиаторе площадью не менее 110 см2. При монтаже целесообразно разделить общий провод силовой части и общий провод микросхемы, а также минимизировать длину проводников (особенно силовой части). В налаживании стабилизатор при правильном монтаже не нуждается.

Общая стоимость покупных радиоэлементов стабилизатора составила у меня порядка 10$, причем стоимость транзистора VT1 - 3...4$. Для снижения стоимости вместо транзистора RFP60P03 можно применить более дешевый RFP10P03, но, конечно, это несколько ухудшит технические характеристики стабилизатора.

Структурная схема импульсного параллельного стабилизатора повышающего типа приведена на рис.6.

В этом стабилизаторе регулирующий элемент РЭ, работающий в импульсном режиме, включен параллельно нагрузке Rh. Когда РЭ открыт, ток от входного источника (Ubx) протекает через дроссель L1, запасая в нем энергию. Диод VD1 при этом отсекает нагрузку и не позволяет конденсатору С1 разряжаться через открытый РЭ. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С1 В следующий момент, когда РЭ закрыт, ЭДС самоиндукции дросселя L1 суммируется с входным напряжением, и энергия дросселя отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение будет больше входного. В отличие от понижающего стабилизатора (рис.1), здесь дроссель не является элементом фильтра, а выходное напряжение становится больше входного на величину, которая определяется индуктивностью дросселя L1 и скважностью импульсов регулирующего элемента РЭ.

Принципиальная схема импульсного повышающего стабилизатора показана на рис.7.

В нем применены, в основном, те же электронные компоненты, что и в схеме понижающего стабилизатора (рис.5).

Уменьшить пульсации можно за счет увеличения емкости выходного фильтра. Для более "мягкого" запуска между общим проводом и неинвертирующим входом первого усилителя ошибки (выводом 1) включен конденсатор С9.

Постоянные резисторы - С2-ЗЗН, переменные - СП5-3 или СП5-2ВА.

Конденсаторы С1 С3, С5, С6, С9 - К50-35; С4, С7, С8 - К10-17. Транзистор VT1 - IRF540 (n-канальный полевой транзистор с Uси=100 В, lc=28 A, Rси=0,077 Ом) - устанавливается на радиаторе с площадью эффективной поверхности не менее 100 см2. Дроссель L2 - такой же, как и в предыдущей схеме.

Первое включение стабилизатора лучше сделать при небольшой нагрузке (0,1...0,2 А) и минимальном выходном напряжении. Затем медленно увеличивать выходное напряжение и ток нагрузки до максимальных значений.

Если повышающий и понижающий стабилизаторы будут работать от одного входного напряжения Uin то их частоту преобразования можно засинхронизировать. Для этого (если понижающий стабилизатор будет ведущим, а повышающий ведомым) в повышающем стабилизаторе нужно удалить резистор R3 и конденсатор С7, замкнуть выводы 6 и 14 микросхемы D1, а вывод 5 D1 соединить с выводом 5 микросхемы D1 понижающего стабилизатора.

В стабилизаторе повышающего типа дроссель L2 не участвует в сглаживании пульсации выходного постоянного напряжения, поэтому для качественной фильтрации выходного напряжения необходимо применять фильтры с достаточно большими значениями L и С. Это, соответственно, приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом. Поэтому удельная мощность понижающего стабилизатора больше, чем повышающего.

Линейные стабилизаторы имеют общий недостаток – это малый КПД и высокое выделение тепла. Мощные приборы, создающие нагрузочный ток в широких пределах имеют значительные габариты и вес. Чтобы компенсировать эти недостатки, разработаны и используются импульсные стабилизаторы.

Устройство, поддерживающее в постоянном виде напряжение на потребителе тока с помощью регулировки электронным элементом, действующим в режиме ключа. Импульсный стабилизатор напряжения, так же как и линейный существует последовательного и параллельного вида. Роль ключа в таких моделях исполняют транзисторы.

Так как действующая точка стабилизирующего устройства практически постоянно расположена в области отсечки или насыщения, проходя активную область, то в транзисторе выделяется немного тепла, следовательно, импульсный стабилизатор имеет высокий КПД.

Стабилизация осуществляется с помощью изменения продолжительности импульсов, а также управления их частотой. Вследствие этого различают частотно-импульсное, а другими словами широтное регулирование. Импульсные стабилизаторы функционируют в комбинированном импульсном режиме.

В устройствах стабилизации с регулированием широтно-импульсным частота импульсов имеет постоянную величину, а продолжительность действия импульсов является непостоянным значением. В приборах с регулированием частотно-импульсным продолжительность импульсов не изменяется, меняют только частоту.

На выходе устройства напряжение представлено в виде пульсаций, соответственно оно не годится для питания потребителя. Перед подачей питания на нагрузку потребителя, его нужно выровнять. Для этого на выходе импульсных стабилизаторов монтируют выравнивающие емкостные фильтры. Они бывают многозвенчатыми, Г-образными и другими.

Средняя величина напряжения, поданная на нагрузку, вычисляется по формуле:

• Ти – продолжительность периода.
• tи – продолжительность импульса.
• Rн – значение сопротивления потребителя, Ом.
• I(t) – значение тока, проходящего по нагрузке, ампер.

Ток может перестать протекать по фильтру к началу следующего импульса, в зависимости от индуктивности. В этом случае идет речь о режиме действия с переменным током. Ток также может дальше протекать, тогда имеют ввиду функционирование с постоянным током.

При повышенной чувствительности нагрузки к импульсам питания, выполняют режим постоянного тока, не смотря со значительными потерями в обмотке дросселя и проводах. Если размер импульсов на выходе прибора незначителен, то рекомендуется функционирование при переменном токе.

Принцип работы

В общем виде импульсный стабилизатор включает в себя импульсный преобразователь с устройством регулировки, генератор, выравнивающий фильтр, снижающий импульсы напряжения на выходе, сравнивающее устройство, подающее сигнал разности входного и выходного напряжения.

Схема основных частей стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Напряжение на выходе прибора поступает на сравнивающее устройство с базовым напряжением. В результате получают пропорциональный сигнал. Его подают на генератор, предварительно усилив его.

При регулировании в генераторе разностный аналоговый сигнал модифицируют в пульсации с постоянной частотой и переменной продолжительностью. При регулировании частотно-импульсном продолжительность импульсов имеет постоянное значение. Она меняет частоту импульсов генератора в зависимости от свойств сигнала.

Образованные генератором управляющие импульсы проходят на элементы преобразователя. Транзистор регулировки действует в режиме ключа. Изменяя частоту или интервал импульсов генератора, есть возможность менять нагрузочное напряжение. Преобразователь модифицирует значение напряжения на выходе в зависимости от свойств управляющих импульсов. По теории в приборах с частотной и широтной регулировкой импульсы напряжения на потребителе могут отсутствовать.

При релейном принципе действия сигнал, который управляется стабилизатором, образуется с помощью триггера. При поступлении постоянного напряжения в прибор транзистор, работающий в качестве ключа, открыт, и повышает напряжение на выходе. сравнивающее устройство определяет сигнал разности, который достигнув некоторого верхнего предела, поменяет состояние триггера, и произойдет коммутация регулирующего транзистора на отсечку.

Напряжение на выходе станет уменьшаться. При падении напряжения до нижнего предела сравнивающее устройство определяет сигнал разности, переключающий снова триггер, и транзистор опять войдет в насыщение. Разность потенциалов на нагрузке прибора станет повышаться. Следовательно, при релейном виде стабилизации напряжение на выходе повышается, тем самым выравнивается. Предел срабатывания триггера настраивают с помощью корректировки амплитуды значения напряжения на сравнивающем устройстве.

Стабилизаторы релейного типа имеют повышенную скорость реакции, в отличие от приборов с частотным и широтным регулированием. Это является их преимуществом. В теории при релейном виде стабилизации на выходе прибора всегда будут импульсы. Это является их недостатком.

Повышающий стабилизатор

Импульсные повышающие стабилизаторы применяют вместе с нагрузками, разность потенциалов которых выше, чем напряжение на входе приборов. В стабилизаторе нет гальванической изоляции сети питания и нагрузки. Импортные повышающие стабилизаторы называются boost converter. Основные части такого прибора:

Транзистор вступает в насыщение, и ток проходит по цепи от положительного полюса по накопительному дросселю, транзистору. При этом накапливается энергия в магнитном поле дросселя. Нагрузочный ток может создать только разряд емкости С1.

Отключим выключающее напряжение с транзистора. При этом он вступит в положение отсечки, а следовательно на дросселе появится ЭДС самоиндукции. Оно будет коммутировано последовательно с напряжением входа, и подключено по диоду к потребителю. Ток пойдет по цепи от положительного полюса к дросселю, по диоду и нагрузке.

В этот момент магнитное поле индуктивного дросселя выдает энергию, а емкость С1 резервирует энергию для поддержки напряжения на потребителе после вхождения транзистора в режим насыщения. Дроссель является для резерва энергии и не работает в фильтре питания. При повторной подаче напряжения на транзистор, он откроется, и весь процесс пойдет заново.

Стабилизаторы с триггером Шмитта

Такой вид импульсного устройства имеет свои особенности наименьшим набором компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер. В его состав входит компаратор. Основной задачей компаратора является сравнивание величины выходной разности потенциалов с наибольшим допустимым.

Принцип действия аппарата с триггером Шмитта состоит в том, что при увеличении наибольшего напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноля с размыканием электронного ключа. В одно время разряжается дроссель. Когда напряжение доходит до наименьшего значения, то выполняется коммутация на единицу. Это обеспечивает замыкание ключа и прохождение тока на интергратор.

Такие приборы имеют отличия своей упрощенной схемой, но использовать их можно в особых случаях, так как импульсные стабилизаторы бывают только повышающими и понижающими.

Понижающий стабилизатор

Стабилизаторы импульсного типа, функционирующие с понижением напряжения, являются компактными и мощными приборами питания электрическим током. При этом они имеют низкую чувствительность к наводкам потребителя постоянным напряжением одного значения. Гальваническая изоляция выхода и входа в понижающих устройствах отсутствует. Импортные приборы получили название chopper. Выходное питание в таких устройствах постоянно находится меньше входного напряжения. Схема импульсного стабилизатора понижающего типа изображена на рисунке.

Подключим напряжение для управления истоком и затвором транзистора, который войдет в положение насыщения. По нему будет проходить ток по цепи от положительного полюса по выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении ток по диоду не протекает.

Отключим управляющее напряжение, которое выключает ключевой транзистор. После этого он будет находиться в положении отсечки. ЭДС индукции выравнивающего дросселя будет преграждать путь для изменения тока, который пойдет по цепи через нагрузку от дросселя, по общему проводнику, диод, и опять придет на дроссель. Емкость С1 будет разряжаться и будет удерживать напряжение на выходе.

При подаче отпирающей разницы потенциалов между истоком и затвором транзистора, он перейдет в режим насыщения и вся цепочка вновь повторится.

Инвертирующий стабилизатор

Импульсные стабилизаторы инвертирующего типа используют для подключения потребителей с постоянным напряжением, полюсность которого имеет противоположное направление полюсности разности потенциалов на выходе устройства. Его значение может быть выше сети питания, и ниже сети, в зависимости от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция сети питания и нагрузки отсутствует. Импортные приборы инвертирующего типа называются buck-boost converter. На выходе таких приборов напряжение всегда ниже.

Подключим управляющую разность потенциалов, которое откроет транзистор между истоком и затвором. Он откроется, и ток пойдет по цепи от плюса по транзистору, дросселю к минусу. При таком процессе дроссель резервирует энергию с помощью своего магнитного поля. Отключим разность потенциалов управления от ключа на транзисторе, он закроется. Ток пойдет от дросселя по нагрузке, диоду, и возвратится в первоначальное положение. Резервная энергия на конденсаторе и магнитном поле будет расходоваться для нагрузки. Снова подадим питание на транзистор к истоку и затвору. Транзистор опять станет насыщаться и процесс повторится.

Преимущества и недостатки

Как и все приборы, модульный импульсный стабилизатор не идеален. Поэтому ему присущи минусы и плюсы. Разберем основные из преимуществ:

• Простое достижение выравнивания.
• Плавное подключение.
• Компактные размеры.
• Устойчивость выходного напряжения.
• Широкий интервал стабилизации.
• Повышенный КПД.

Недостатки прибора:

• Сложная конструкция.
• Много специфических компонентов, снижающих надежность устройства.
• Необходимость в использовании компенсирующих устройств мощности.
• Сложность работ по ремонту.
• Образование большого количества помех частоты.

Допустимая частота

Функционирование импульсного стабилизатора возможно при значительной частоте преобразования. Это является основной отличительной чертой от устройств, имеющих трансформатор сети. Увеличение этого параметра дает возможность получить наименьшие габариты.

Для большинства приборов интервал частот будет равен 20-80 килогерц. Но при выборе ШИМ и ключевых приборов необходимо учесть высокие гармоники токов. Верхняя граница параметра ограничена определенными требованиями, которые предъявляются к радиочастотным приборам.