Расчет импульсных стабилизаторов

Широкое распространение получили импульс­ные стабилизаторы. В основном применяются импульсные стабилизаторы с ШИМ и импульс­ные стабилизаторы релейного типа.

Структурная схема импульсного стабилиза­тора с ШИМ дана на рисунке 48.

Рисунок 48

 

На вход регулирующего транзистора (РТ) от источника постоянного напряжения подается по­стоянное нестабилизированное напряжение. Управление регулирующим транзистором осу­ществляется модулятором ШИМ.

Длительность управляющих импульсов ШИМ зависит от сигнала, поступающего на его вход. Под воздействием управляющих импуль­сов регулирующий транзистор периодически с заданной частотой подключает источник пита­ния к входу фильтра (Ф) стабилизатора. Напряжение на входе фильтра имеет форму однополярных прямоугольных импульсов. На выходе фильтра выделяется в основном постоянная со­ставляющая напряжения. Выходное напряжение сравнивается с опорным, и.сигнал разности, усиленный усилителем У, поступает на вход модулятора ШИМ.

При изменении выходного напряжения изме­няется сигнал разности между выходным и опор­ным напряжениями, изменяется сигнал на входе широтно-импульсного модулятора, что приво­дит к изменению длительности управляющих импульсов. В результате изменяется длитель­ность импульсов на входе фильтра и среднее значение выходного напряжения возвращается к своему первоначальному значению.

В релейных стабилизаторах в цепь ОС вместо широтно-импульсного модулятора включен ре­лейный элемент-триггер. Релейные стабилиза­торы работают в режиме устойчивых автоколе­баний. При изменении входного напряжения или тока нагрузки в отличие от стабилизаторов с ШИМ изменяется частота переключения регули­рующего транзистора, а среднее значение выход­ного напряжения поддерживается неизменным с определенной степенью точности.

Силовая часть импульсных стабилизаторов может быть выполнена в трех вариантах (рисунок 49).

Рисунок 49

 

В стабилизаторе по схеме рисунок 49,а напря­жение на выходе меньше входного напряжения U_ВЫХ<U_ВХ. Стабилизатор по схеме рисунке 49,б позволяет получить на выходе напряжение боль­ше, чем на входе. Устройство по схеме рисунке 49,в является полярно-инвертируемым. На его выхо­де напряжение имеет полярность, противопо­ложную полярности входного напряжения. Зна­чение напряжения на выходе может быть как больше, так и меньше входного напряжения в зависимости от скважности управляющих импульсов.

Цепь управления импульсным стабилизато­ром содержит источник опорного напряжения, делитель ОС, усилитель, широтно-импульсный модулятор или триггер. Источник опорного на­пряжения, делитель ОС, усилитель выполняются так же, как и в стабилизаторах непрерывного действия.

В импульсном стабилизаторе на регулирую­щем транзисторе рассеивается значительно мень­шая мощность по сравнению со стабилизато­ром непрерывного действия, поэтому его КПД выше, а объем и масса меньше.

На рисунке 50 изображена схема импульсного стабилизатора понижающего типа с микросхе­мой К142ЕП1, действующего как в релейном режиме, так и в режиме ШИМ. На рисунке 50 элементы микросхемы ограничены штриховой линией.

Источник опорного напряжения содержит па­раметрический стабилизатор на стабилитроне VD1 и резисторе R1; эмиттерный повторитель на транзисторе VT1. Напряжение стабилитрона VD1 подается на входе эмиттерного повторите­ля, опорное напряжение снимается с резистора R3 (вывод 9), включенного в цепь эмиттера транзистора VT1. Диод VD2, включенный в цепь эмиттера транзистора VT1 последовательно с резисторами R2, R3, является термокомпенсирующим элементом.

Дифференциальный усилитель постоянного тока выполнен на транзисторах VT10, VT12, резисторе R11. Его коллекторной нагрузкой является генератор тока, выполненный на транзисторах VT9, VT11. На один вход усилителя (вывод 12) подается напряжение с внешнего срав­нивающего делителя, на другой (вывод 13) опор­ное напряжение с резистора R3.

Сигнал с выхода дифференциального усили­теля поступает на вход эмиттерного повторителя (VT8, R9). Широтно-импульсный модулятор со­держит триггер Шмитта (VT5, VT6, R5-R8) и диодный мост (VD3-VD6), на вход которого поступает внешний пилообразный сигнал.

Пилообразное напряжение выделяется на ре­зисторе R10, складывается с выходным напряже­нием усилителя постоянного тока и поступает на вход эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе VT7. На входе триггера и резисторе R9 напряжение равно сумме выходного напряже­ния усилителя и напряжения пилообразного син­хронизирующего сигнала.

Транзистор VT5 триггера Шмитта через про­межуточный усилитель VT4 управляет состав­ным транзистором VT3, VT2.

Рисунок 50

 

Кроме К142ЕП1 стабилизатор содержит ре­гулирующий транзистор VT13, фильтрVD7, L, С_н, сравнивающий делитель R16, R17, R18 и параметрический стабилизатор напряжения, выполненный на транзисторе VT14 для питания микросхемы.

Рассмотрим принцип действия стабилизатора в релейном режиме.

При подключении стабилизатора к источнику постоянного напряжения к выводу 5 микросхемы поступает напряжение питания источника опор­ного напряжения.

Стабилизированное напряжение с вывода 6 микросхемы поступает на базу транзистора VT14. Транзистор VT14 совместно с источником опорного напряжения микросхемы и конденсато­ром С1 образует параметрический стабилизатор, напряжение которого поступает на вывод 10 МС.

При наличии напряжения питания на выводе 10 транзистор VT6 триггера закрыт, а транзи­стор VT5 открыт. Соответственно транзисторы VT4, VT3, VT2 находятся также в открытом состоянии

Через транзисторы VT2, VT3 и резистор R3 протекает ток базы регулирующего транзистора VT13, и он открывается. Напряжение на входе фильтра (диоде VD7) станет равным входному напряжению стабилизатора. Выходная емкость стабилизатора С_н заряжается, и выходное напря­жение увеличивается, в связи с этим увеличива­ется напряжение на нижнем плече сравнивающе­го делителя-резистора R18 и базе транзистора VT12. Как только напряжение на базе транзисто­ра VT12 превысит опорное напряжение, посту­пающее на базу VT10 с вывода 9, токи базы и коллектора VT12 начинают увеличиваться. Уве­личивается напряжение коллектор-эмиттер тран­зистора VT10 и соответственно на входе тригге­ра U_R9.

При определенном выходном напряжении, напряжение на входе триггера U_R9 станет равным верхнему порогу его срабатывания. Транзи­стор VT6 открывается, а транзисторы VT5, VT4, VT3, VT2 закрываются. Ток базы внешнего регу­лирующего транзистора VT13 станет равным нулю, и он закроется. Напряжение на входе фильтра U_VD7 станет равным нулю. Выходное напряжение стабилизатора начинает умень­шаться. При этом уменьшается напряжение на резисторе R18 и базе транзистора VT12 микро­схемы. Уменьшаются токи базы и коллектора транзистора VT12. Ток коллектора транзистора VT10 увеличивается, и напряжения на нем и на входе триггера U_R9 уменьшаются. При некото­ром выходном напряжении напряжение на входе триггера U_R9 достигает нижнего порога его сра­батывания, транзистор VT6 закрывается, а тран­зисторы VT2-VT5 открываются. Вновь откры­вается регулирующий транзистор VT13, и напряжение на выходе стабилизатора начинает увеличивается. Так процесс непрерывно повторяется.

При изменении входного напряжения или то­ка нагрузки изменяется скорость заряда или разряда выходной емкости, а среднее значение выходного напряжения, ввиду постоянства поро­гов срабатывания триггера, остается неизменным с определенной степенью точности. Изменение входного напряжения приводит к изменению от­носительной длительности импульса регулирую­щего транзистора и к изменению частоты его переключения.

При работе устройств в режиме ШИМ на вход диодного моста VD3-VD6 в микросхеме подается внешний пилообразный сигнал, кото­рый выделяется на резисторе R10 и суммируется с выходным напряжением дифференциального усилителя.

Под воздействием пилообразного сигнала осуществляется переключение транзисторов мик­росхемы и регулирующего транзистора VT13. При изменении выходного напряжения изменя­ется напряжение на выходе дифференциального усилителя, что приводит к смещению пилооб­разного сигнала и к изменению относительной длительности импульсов транзисторов микро­схемы и регулирующего транзистора VT13. В результате выходное напряжение возвращается к своему первоначальному значению.