Импульсные (ключевые) стабилизаторы напряжения

Рассмотренные выше стабилизаторы работают в непрерывном режиме, т. е. регулирующий элемент (транзистор) действием обратной связи непрерывно изменяет свое внутреннее сопротивление и при этом на нем непрерывно выделяется мощность, которая в общем балансе мощностей является наиболее значительной. Поэтому КПД этих стабилизаторов не превышает 40—60 %.

Намного больше КПД (до 90%) у импульсных или ключевых стабилизаторов напряжения (ИСН), регулирующий элемент которых представляет собой периодически замыкаемый и размыкаемый транзисторный ключ (рисунок 42,a), а стабилизация напряжения достигается управлением длительностью импульсов, подаваемых на регулирующий транзистор.

При изменении длительности управляющих импульсов соответственно меняется длительность импульсов выходно­го напряжения (рисунок 42, б), что определяет изменение среднего значения напряжения на нагрузке. Таким обра­зом, если в схему управления ввести сигнал обратной свя­зи, пропорциональный отклонению среднего значения на­пряжения на нагрузке от заданного, то схема позволит осуществлять стабилизацию выходного напряжения. По­скольку выходное напряжение в данном случае имеет фор­му импульсов, то в отличие от стабилизаторов непрерывно­го действия в ИСН необходим сглаживающий фильтр.

 

Рисунок 42 - Работа транзистора в ключевом режиме; (а)-схема включения транзистора; б — диаграммы базового тока и выходного напряжения в схеме

 

Рисунок 43 - Структурная схема импульсного стабилизатора напряжения

 

Структурная схема ИСН приводится на рисунке 43. Ста­билизатор включает в себя регулирующий элемент и сгла­живающий фильтр, а также схему управления, состоящую из схемы сравнения, усилителя и преобразователя. Схема сравнения и усилительный элемент схемы подобны соответ­ствующим элементам компенсационных стабилизаторов не­прерывного действия, а в качестве преобразователя в дан­ных схемах используются генераторы импульсов, мульти­вибраторы, триггеры, параметры импульсов которых изменяются в зависимости от постоянного сигнала, поступа­ющего с усилителя.

 

 

Рисунок 44 – Характеристики транзистора в ключевом режиме

 

В режиме переключения ра­бочая точка транзистора боль­шую часть периода коммутации находится в двух состояниях: насыщения (транзистор от­крыт) и отсечки (транзистор закрыт), что соответствует кри­вым 1 и 2 характеристики транзистора в ключевом режиме (рисунок 44).рабочими участками являются наклонный участок кривой 1 и пологий участок кривой 2; область между ними называют активной областью работы транзистора.

Важно заметить, что и в состоянии насыщения и в состоянии отсечки мощность, выделяемая в транзисторе, мала, так как либо напряжение, либо ток транзистора весьма велики, зону же активной мощности рабочая точка транзистора проходит с высокой скоростью только в моменты включения, при этом значение средней (за период коммутации) мощности, рассеиваемой на регулирующем транзисторе, намного меньше, чем при его работе в непрерывном режиме. Поэтому ИСН имеют более высокий КПД (до 95%) и лучшие массогабаритные характеристики по сравнению со стабилизаторами с непрерывным регулированием напряжения.

По способу включения регулирующего транзистора и дросселя ИСН можно подразделить на последовательные и параллельные. Рассмотрим варианты соединения элементов силовой части ИСН.

Если источник постоянного тока подключить к нагрузке с помощью периодически замыкаемого и размыкаемого ключа (транзистора), то среднее значение напряжения нагрузке составит

,

где t_И — длительность импульса замкнутого состояния ключа; Т — период коммутации; i(t) —текущее значение тока. При индуктивном характере нагрузки ключа (при шунтировании этой нагрузки диодом) такое устройство можно рассматривать как автотрансформатор постоянного тока. Если параллельно нагрузке подключить конденсатор достаточно большой емкости, то переменная составляющая тока контура будет замыкаться через него, а пульсации напряжения на нагрузке будут незначительны. Это условие может выполняться при трех вариантах соединения силовых элементов, представленных на рисунке 45. Поясним особенности схем.

Схема с последовательным включением транзистора и дросселя (рисунок 45, а) позволяет получить при нагрузке напряжение, равное или меньшее напряжения питания. Схема с последовательным включением транзистора параллельным включением дросселя (рисунок 45,б) позволяет получить напряжение, большее или меньшее напря­жения питания, при этом напряжение на выходе стабилиза­тора инвертируется.

Рисунок 45 - Схемы соединения силовых элементов в импульсных стабили­заторах и зависимости U_Н /U_П от коэффициента импульсного заполнения для этих схем

 

Схема с параллельным включением транзистора и последовательным включением дросселя (рисунок 45,в) позво­ляет получить напряжение, равное или большее напряже­ния питания.

На рисунке 45,г представлены зависимости напряжения на нагрузке для трёх указанных схем от коэффициента за­полнения импульсов Кз = t_И /T, где t_И /T — относительная длительность импульса. Следует заметить, что напряжение на нагрузке в данном случае дано также в относительных единицах U_Н /U_П, последнее соотношение определяется как коэффициент передачи постоянного напряжения от входа схемы к нагрузке. В заключение необходимо отметить, что известны различные варианты построения силовых цепей транзисторных ИСН, однако все они могут быть сведены к трем, рассмотренным выше.

Импульсные стабилизаторы по способу регулирования подразделяются на стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) и стабилизаторы релейные или двухпозиционные.

Стабилизаторы с ШИМ и ЧИМ

В стабилизаторах с ШИМ в качестве импульсного элемента используется генератор, время импульса или паузы которого изменяются в зависимости от постоянного сигнала, поступающего на вход импульсного элемента с выхода схемы сравнения.

Принцип действия стабилизатора с ШИМ заключается в следующем: постоянное напряжение от выпрямителя или аккумуляторной батареи подается на регулирующий транзистор, а затем через фильтр на выход стабилизатора, выходное напряжение стабилизатора приводится к опорному напряжению, сравнивается с ним, а затем сигнал разности подается на вход устройства, преобразующего сигнал постоянного тока в импульсы определенной длительности, причем последняя изменяется пропорционально сигналу разности между опорным и измеряемым напряжением. С устройства, преобразующего постоянный ток в импульсы сигнал поступает на регулирующий транзистор; последний периодически переключается и среднее значение напряжения на выходе фильтра зависит от соотношения между временем нахождения транзистора в открытом и закрытом состоянии (от ширины импульса — отсюда название данного вида модуляции), причем частота следования импульсов ШИМ постоянна. При изменении напряжения на выходе стабилизатора изменяется сигнал постоянного тока, следовательно, и ширина (длительность) импульса (при постоянном периоде); в результате среднее значение выходного напряжения возвращается к первоначальному значению.

В стабилизаторах с ЧИМ при изменении сигнала на выходе импульсного элемента изменяется длительность паузы, а длительность импульса остается неизменной, причем, в отличие от стабилизаторов с ШИМ, в данных стабилизаторах частота переключения регулирующего транзистора зависит от изменения тока нагрузки и выходного напряжения, а значит, является изменяющейся, непостоянной величиной — отсюда и название данного вида модуляции. Принцип действия таких стабилизаторов аналогичен принципу действия стабилизаторов с ШИМ. Изменение выходного напряжения стабилизатора вызывает изменение паузы, что приводит к изменению частоты импульсов и среднее значение выходного напряжения остается неизменным.

Принцип действия релейных или двухпозиционных стабилизаторов несколько отличается от принципа действия стабилизаторов с ШИМ. В релейных стабилизаторах в качестве импульсного элемента применяется триггер, который в свою очередь управляет регулирующим транзистором. При подаче постоянного напряжения на вход, стабилизато­ра в первый момент регулирующий транзистор открыт и напряжение на выходе стабилизатора увеличивается, при этом соответственно растет сигнал на выходе схемы срав­нения. При определенном значении выходного напряжения сигнал на выходе схемы сравнения достигает значения, при котором триггер срабатывает, закрывая при этом ре­гулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабили­затора начинает уменьшаться, что вызывает уменьшение сигнала на выходе схемы сравнения. При определенном значении сигнала на выходе схемы сравнения триггер вновь срабатывает, открывает регулирующий транзистор и на­пряжение на выходе стабилизатора начинает увеличивать­ся; оно будет расти до тех пор, пока триггер вновь не за­кроет регулирующий транзистор, и, таким образом, процесс повторяется.

Изменение входного напряжения или тока нагрузки стабилизатора приведет к изменению времени открытого состояния регулирующего транзистора и к изменению час­тоты его переключений, а среднее значение выходного на­пряжения будет поддерживаться (с определенной степенью точности) неизменным. Таким образом, как и в стабилиза­торах с ЧИМ, в релейных стабилизаторах частота пере­ключений регулирующего транзистора непостоянна.

В заключение необходимо отметить достоинства и недо­статки описанных стабилизаторов. Пульсации выходного напряжения в стабилизаторах с ШИМ и ЧИМ в принципе могут вообще отсутствовать, так как импульсный элемент управляется постоянной составляющей сигнала схемы уп­равления; в релейных стабилизаторах пульсации выходно­го напряжения принципиально должны иметь место, так как периодическое переключение триггера возможно толь­ко при периодическом изменении выходного напряжения. Одним из основных недостатков стабилизаторов с ШИМ и ЧИМ по сравнению с релейными является их меньшее быстродействие.

Рассмотрим схемы и работу релейного стабилизатора и стабилизатора с ШИМ.

Рисунок 46 - Схема импульсного релейного стабилизатора напряжения (а) и графики напряжений и токов в нем (б)

 

На рисунке 46, а представлена схема релейного стабили­затора напряжения, который состоит из составного регули­рующего транзистора (VT₁₁, VT₁₂); фильтра (L, С_Н, VD₂); сравнения и усилителя постоянного тока (R₁ RP, R₂, VD_ОП, R_Г, VT_У); триггера на туннельном диоде VD_TГ, транзисторе VТ₄ и резисторе R₈; промежуточного усилителя VT₃, R₅, R₄, R₃); транзистора VT₂, предназначенного для запирания регулирующего транзистора; цепочки R₉, C₁, необходимой для увеличения частоты автоколебаний стабилизатора, а также элементов R₆, R_ЗАП, VD₁ С_ЗАП, необходимой для надежного открытия и запирания регулирующего транзистора.

В данной схеме в качестве импульсного элемента используется триггер на туннельном диоде и транзисторе. В подобных схемах можно использовать триггер на транзисторах (триггер Шмитта), однако применение триггера на туннельном диоде позволяет улучшить фронты управляющих импульсов и уменьшить число элементов.

Принцип действия схемы заключается в следующем. На вход стабилизатора подается постоянное напряжение U_ВХ В момент времени t₀ напряжение на выходе стабилизатора уменьшается до значения, соответствующего срабатыванию триггера VТ₄ VD_TГ. Триггер срабатывает, и ток коллектора VT₄ скачком уменьшается до нуля. При этом закрываются транзисторы VT₃ и VT₂; транзисторы VT₁₂, VT₁₁ открываются, а конденсатор С_ЗАП заряжается через резистор R₆. Напряжение на входе фильтра (в точках А, Б) скачком увеличивается до напряжения U_BХ, диод VD2 закрывается и ток, протекающий по нему, падает до нуля. Ток коллектора регулирующего транзистора VT₁₁, а соответственно и ток дросселя начинают увеличиваться, а напряжение на выходе стабилизатора — уменьшаться, причем оно уменьшается до момента, пока ток, протекающий по дросселю, не станет равным току нагрузки I_Н; затем напряжение начинает расти. При увеличении выходного напряжения увеличивается положительный потенциал на базе транзистора VT_y, при этом ток базы, а следовательно, коллектора VT_y увеличиваются.

В момент времени t₁ напряжение на выходе стабилизатора становится равным U_BЫХ+ U_ТГ/ (см. рисунок 46, б), а ток коллектора VT_y достигает значения тока срабатывания триггера. Триггер срабатывает, и ток коллектора VT₄ скачком увеличивается до максимального значения. Транзисторы VT₃ и VT₂ открываются. Конденсатор С_ЗАП через транзистор VT₂ подключается между базой и эмиттером транзисторов VT₁₂, VT₁₁ и они закрываются. В интервале t₁ – t₂ ток коллектора транзистора VT₁₁ i_K11 равен нулю, а дроссель разряжается через диод VD₂. Напряжение на выходе стабилизатора вначале увеличивается (пока ток в дросселе L больше тока нагрузки), а затем начинает уменьшаться.

При уменьшении выходного напряжения уменьшается положительное напряжение на базе транзистора VT_y и токи его базы и коллектора уменьшаются. В момент t₂ напряжен U_ВЫХ- на выходе уменьшилось до значения U_BЫХ- U_ТГ/ , а ток коллектора VT_y уменьшился до значения тока отпускания триггера. Триггер срабатывает, транзисторы VT₄, VТ₃, VT₂ закрываются, а транзисторы VT₁₂, VT₁₁ открываются. Вновь начинает увеличиваться ток коллектора регулирующего транзистора VT₁₁, а соответственно и ток дросселя L. Таким образом, процесс непрерывно повторяется.

При изменении входного напряжения или тока нагрузки меняется коэффициент заполнения импульсов регулирующего транзистора, а среднее значение выходного напряжения с определенной степенью точности остается неизменным. Как видно из принципа действия схемы, стабилизаторы данного типа работают в режиме устойчивых автоколебаний.

Как указывалось выше, релейным стабилизаторам присущи, в принципе, пульсации выходного напряжения, при этом необходимо отметить, что относительно большая амплитуда этих пульсаций, являясь основным недостатком иных стабилизаторов, ограничивает область их применения. Амплитуда пульсаций выходного напряжения зависит порогов срабатывания триггера, коэффициента усиления усилителя и от значения коэффициента затухания фильтра стабилизатора, причем с уменьшением порогов срабатывания триггера и с увеличением указанных коэффициентов амплитуда пульсаций уменьшается. Однако даже при нулевых порогах срабатывания триггера, бесконечном коэффициенте усиления усилителя и достаточно большом коэффициенте затухания фильтра (причем при больших значениях последнего резко возрастают габаритные размеры стабилизатора) не удается получить малую амплитуду пульсаций. Значительное уменьшение амплитуды пульсаций достигается увеличением частоты автоколебаний стабилизатора при тех же параметрах фильтра, усилителя и триггера.