Существенной особенностью и недостатком традиционных линейных регуляторов, работающих в режиме сильного отклонения входного уровня, является низкий КПД. Такое состояние обычно объясняют большими тепловыми потерями в компонентах схемы. Кроме того, такие устройства с высокими токами нагрузки (до десятков ампер) выглядят очень громоздко и много весят. При использовании импульсных методов стабилизации все заданные параметры преобразовательного устройства можно существенно улучшить.
Устройство стабилизации импульса (полный вид)
Импульсный стабилизатор – это особый класс устройств, позволяющий поддерживать выходное напряжение в заданных пределах за счет критических режимов работы компонентов основной цепи. Рассмотрим, как работает это устройство более подробно.
Основы импульсного преобразования
Во-первых, следует знать, что импульсные устройства для получения стабильного напряжения, как и линейные, могут быть реализованы по параллельным и последовательным схемам. В обоих случаях функции ответственных компонентов традиционно выполняли мощные полевые транзисторы. Тепловые потери этой схемы минимальны, так как в коммутационном режиме ее рабочая точка сразу смещается из области насыщения в область отсечки (быстро «обгоняя» активную часть). Это указывает на то, что импульсный регулятор имеет более высокий КПД.
Стабилизация выходного сигнала достигается за счет управления длительностью или частотой следования импульсов, генерируемых специальным генератором, что в электронике называется широтным (Ш) или частотным (Ф) управлением импульсами.
Уведомление! В некоторых моделях оборудования этого типа используется комбинированный метод широтно-частотного регулирования (WFC).
В стабилизаторе первого типа (ШИ) частота импульсов остается постоянной и меняется только его длительность. Во втором случае частота меняется, но длина импульсного сигнала (скважность) не меняется со временем.
На выходе преобразователя управления (инвертора) имеется сигнал прямоугольной формы, не пригодный для подачи на рабочую нагрузку. Поэтому сначала его необходимо выпрямить или придать пригодную для использования форму. Этим объясняется наличие на выходе устройства специального модуля фильтра, состоящего из элементов сглаживания пульсаций. Их функцию традиционно выполняют конденсаторно-индукторные цепи П-образного или Г-образного типа.
В зависимости от параметров этих цепей (особенно индуктивности дросселя) ток через LC-фильтрующий элемент может быть прерывистым или постоянным. Все зависит от того, успеет ли ранее заряженный конденсатор разрядиться через дроссель до прихода следующего импульса. При наличии особых требований к уровню пульсаций приоритет отдается непрерывному принципу генерации выходного тока.
Дополнительная информация. Одной из «наград» за это является значительный расход медного материала, используемого для изготовления дроссельных катушек.
В случае, когда значение коэффициента пульсации не нормируется, схема допускается работать в режиме прерывистого тока.
Блок-схема
Классический импульсный стабилизатор напряжения содержит следующие необходимые модули:
- главный генератор;
- Прямой преобразователь (инвертор);
- устройство сравнения;
- фильтрующий элемент.
Задающий генератор (МГ) обеспечивает формирование импульсов по форме, близкой к стандартной прямоугольной. Последний поступает в устройство преобразования и обрабатывается в соответствии с выбранными параметрами управления (частота, продолжительность или и то, и другое). Обработанные импульсы затем поступают на фильтрующий элемент, далее на выход и в цепь обратной связи (управления.
Приведенная ниже блок-схема поможет вам ознакомиться с работой устройства.
Читайте также статью: Как вытягивать волосы на брашинг
Блок-схема импульсного стабилизатора
Важно! Ключевым звеном в этой схеме является цепь обратной связи (устройство сравнения). Наличие цепи обратной связи позволяет определить необходимость дополнительных действий (регулировок) по состоянию выходного сигнала).
То есть, когда выходной сигнал имеет идеальные параметры, устройство сравнивает его с эталонным напряжением и интерпретирует как команду на прерывание операции управления. Если форма или другие характеристики выходного сигнала начинают отличаться от параметров, указанных в технических характеристиках, модуль сравнения (СМ) формирует сигнал, который используется для внесения дополнительных корректировок в импульсы, генерируемые генератором.
Преимущества ОС-регулирования
На основной генератор подается дифференциальный сигнал, пропорциональный отклонению параметра выходного напряжения от стандартного значения, поэтому вся схема работает по принципу дифференциального усилителя. Такая схема позволяет значительно улучшить чувствительность контура обратной связи (FE) и повысить эффективность процесса регулирования.
В этом режиме генерируемые генератором управляющие импульсы поступают на ключевые элементы преобразовательного устройства, где они обрабатываются и одновременно подготавливаются к последующей фильтрации. Изменяя частоту или длительность импульса сигнала системы управления, можно добиться желаемого качества выходного напряжения.
Дополнительная информация. Бывают ситуации, когда регулировка вообще не требуется. Обычно это происходит, когда выходное напряжение соответствует указанным требованиям спецификации.
Схемы управляющих устройств
Повышающие
Схема стабилизации импульсов повышения требуется, когда необходимо подключить нагрузку, напряжение которой должно превышать входные параметры на определенную величину. При этом гальваническая развязка между потребителем и сетью электропитания 220 В не обеспечивается. За рубежом такой принцип преобразования называется «повышающий преобразователь», а его принципиальная схема показана на рисунке ниже.
Видео: Импульсный стабилизатор тока и напряжения своими руками
При подаче управляющего напряжения между затвором и истоком транзистора VT1 транзистор VT1 входит в состояние насыщения, тем самым обеспечивая беспрепятственное протекание тока через накопительный дроссель L1. В этом случае составляющая выходного тока создается зарядкой конденсатора С1.
После снятия потенциала с транзистора VT1 он переходит в состояние отсечки, в это время на дросселе L1 возникает электродвижущая сила самоиндукции, которая через диод VD1 передается на нагрузку той же полярности; После прохождения тока через дроссель L1 катушка полностью отдает свою энергию в цепь. Его принимает конденсатор С1, который заряжается до тех пор, пока транзистор VT1 снова не насытится.
Затем повторите весь описанный процесс. Увеличение напряжения нагрузки обеспечивается тем, что к выходному напряжению (систематически запасающемуся в дросселе и имеющему одинаковый знак) прибавляется ЭДС.
Понижающий стабилизатор
По такому же принципу работает понижающий стабилизатор, но в этом случае после управляемого полевого транзистора открывается только дроссель (см рисунок ниже).
Зарубежное название этого принципа преобразования — «чоппер», характеризующееся снижением выходного напряжения.
После подачи управляющего импульса на VT1 транзистор насыщается и ток начинает течь через транзистор и напрямую поступать в нагрузку через сглаживающий дроссель L1 (диод VD1 отключается обратным напряжением).
Когда входной сигнал будет удален, критический транзистор перейдет в режим отсечки, что приведет к резкому падению тока. Самоиндуцированная электродвижущая сила дросселя L1 будет сильно препятствовать его уменьшению, тем самым поддерживая процесс под нагрузкой. Однако из-за падения напряжения на катушке L1 его значение на выходе устройства всегда будет меньше входного значения (из-за противоположного знака ЭДС).
Инвертирующее устройство
Этот тип стабилизатора применяется для нагрузок с фиксированным выходным напряжением, сдвинутым по фазе относительно входного. Кроме того, само его значение может быть больше или меньше входного (все зависит от того, как настроено инвертирующее устройство).
Как и в двух предыдущих решениях, гальваническая развязка цепей питания и выходных цепей отсутствует. В зарубежных словарях стабилизатор такого типа называется «понижающе-повышающий преобразователь». Основное отличие схемы от понижающего преобразователя состоит в том, что в этом случае дроссель и диод меняются местами. Кроме того, полупроводниковые элементы проводят ток в обратном направлении (почти прямом токе.
Эта замена вызывает сдвиг фазы на 90 градусов между входным и выходным сигналами (другими словами, приводит к их инвертированию).
В заключительной части обзора остановимся еще на одной детали, характеризующей все рассмотренные виды конверсионного оборудования. В качестве переключателей во всех схемах используются специальные полупроводниковые элементы с полевой структурой, управляемой не напряжением, а потенциалом. В результате входной управляющий ток может быть значительно снижен, а общая эффективность всего устройства еще больше повышена.
Видео: Импульсный стабилизатор напряжения. Принцип работы
Видео: Импульсные СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ и ТОКА лучше линейных??? Понятное объяснение!
Читайте также статью: Почему стоит выбирать шкафы на заказ?
Комментарии
Отправить комментарий