Імпульсні стабілізатори напруги

В імпульсних стабілізаторах (перетворювачах) напруги активний елемент (як правило польовий транзистор) працює в імпульсному режимі: регулює ключ поперемінно то відкривається, то закривається, подаючи напруга живлення імпульсами на накопичує енергію елемент.

В результаті імпульси струму подаються через дросель (або через трансформатор, в залежності від топології конкретного імпульсного стабілізатора), який часто і виступають елементом, що накопичує, перетворює, і віддають енергію в ланцюг навантаження.

Імпульси мають певними часовими параметрами: слідують з певною частотою і мають певну тривалість. Дані параметри залежать від величини навантаження, що живиться в поточний момент від стабілізатора, оскільки саме середній струм дроселя заряджає вихідний конденсатор і, по суті, живить підключену до нього навантаження.

У структурі імпульсного стабілізатора можна виділити три головних функціональних вузла: ключ, накопичувач енергії і ланцюг управління. Перші два вузла утворюють силову частину, яка разом з третьої становить закінчений контур перетворення напруги. Іноді ключ може бути виконаний в одному корпусі з ланцюгом управління.

Отже, робота імпульсного перетворювача здійснюється завдяки замикання і розмикання електронного ключа. Коли ключ замкнутий, накопичувач енергії (дросель) підключений до джерела живлення і накопичує енергію, а коли розімкнений – накопичувач відключається від джерела і тут же підключається до ланцюга навантаження, тоді енергія віддається в конденсатор фільтра і в навантаження.

В результаті на навантаженні діє певний середнє значення напруги, яке залежить від тривалості та частоти проходження імпульсів. Струм залежить від навантаження, величина якої не повинна перевищувати допустимий для даного перетворювача межа.

Принцип стабілізації вихідної напруги імпульсного перетворювача заснований на безперервному порівнянні вихідної напруги з опорним, і в залежності від неузгодженості цих напруг, схема управління автоматично перебудовує співвідношення тривалостей відкритого і закритого станів ключа (змінює ширину керуючих імпульсів за допомогою широтно-імпульсної модуляції – ШІМ) або змінює частоту слідування даних імпульсів, зберігаючи їх тривалість постійної (за допомогою частотно-імпульсної модуляції – ЧИМ). Значення вихідної напруги зазвичай вимірюється на резистивном делителе.

Широко-імпульсна модуляція

Припустимо, напруга на виході під навантаженням в якийсь момент зменшилася, стало менше номінального. В цьому випадку ШІМ-регулятор автоматично збільшить ширину імпульсів, тобто процеси накопичення енергії в дроселі стануть по тривалості більше, і енергії до навантаження, відповідно, буде передаватися теж більше. Напруга на виході в результаті повернеться до номіналу.

Частотно-імпульсна модуляція

Якщо стабілізація працює за принципом ЧИМ, то при зменшенні вихідної напруги під навантаженням, збільшиться частота проходження імпульсів. У підсумку до навантаження буде передаватися більше порцій енергії і напруга зрівняється з необхідним номіналом. Тут доречним буде сказати, що відношення тривалості замкнутого стану ключа до суми тривалостей замкнутого і розімкнутому його станів – це так званий коефіцієнт заповнення DC – duty cycle.

Взагалі імпульсні перетворювачі бувають з гальванічною розв’язкою і без гальванічної розв’язки. В рамках даної статті ми розглянемо базові схеми без гальванічної розв’язки: підвищує, понижуючий і інвертується перетворювачі. У формулах Vin-вхідна напруга, Vout-вихідна напруга, DC-коефіцієнт заповнення імпульсів.

Понижуючий перетворювач без гальванічної розв’язки – buck converter або step-down converter.

Ключ Т замикається. При замиканні ключа діод Д замкнений, струм через дросель L і через навантаження R починає збільшуватися. Ключ розмикається. При розмиканні ключа струм через дросель і через навантаження, хоча і зменшується, але продовжує текти, так як він не може зникнути миттєво, тільки тепер коло замкнуте НЕ через ключ, а через діод, який відкрився.

Ключ знову замикається. Якщо за час поки ключ був розімкнений струм через дросель не встиг впасти до нуля, то тепер він знову збільшується. Отже, через дросель і через навантаження весь час діє пульсуючий струм (якби не було конденсатора). Конденсатор згладжує пульсації, завдяки чому струм навантаження виходить майже постійним.

Вихідна напруга в перетворювачі такого типу завжди менше вхідного, яке тут практично ділиться між дроселем і навантаженням.

Ключ Т замкнулося. При замиканні ключа діод Д замкнений, струм через дросель L починає збільшуватися. Ключ розмикається. Струм через дросель продовжує текти, але тепер через відкритий діод, причому напруга на дроселі складається з напругою джерела. Постійна напруга на навантаженні R підтримується конденсатором C.

Ключ замикається, струм дроселя знову наростає. Вихідна напруга у перетворювача такого типу завжди більше вхідного, так як напруга на дроселі додається до напруги джерела.

Ключ Т замкнулося. Дросель L накопичує енергію, діод Д замкнений. Ключ розімкнувся – дросель віддає енергію в конденсатор С і в навантаження R. Вихідна напруга тут має негативну полярність. Його величина може бути знайдена (для ідеального випадку) за формулою:

На відміну від лінійних стабілізаторів, імпульсні стабілізатори володіють більш високим ККД в силу меншого нагріву активних елементів, і тому вимагають радіатор меншої площі. Типові недоліки імпульсних стабілізаторів – наявність імпульсних перешкод в вихідних і вхідних ланцюгах, а також більш тривалі перехідні процеси.

Посилання на основну публікацію