Импульсные стабилизаторы напряжения

Применение импульсного режима работы регулирующего элемента стабилизатора позволяет повысить КПД до 80% и выше.

Рис. Структурная схема импульсного стабилизатора напряжения последовательного типа.

В такой схеме нагрузка последовательно через сглаживающий фильтр Ф и ключевой регулирующий элемент РЭ подключена к источнику входного напряжения. Выходное напряжение сравнивается с эталонным опорным напряжением U_оп. Разностный сигнал рассогласования U_p, формируемый схемой сравнения СС, воздействует на схему управления СУ, которая вырабатывает импульсы, управляющие временами размыкания и замыкания ключевого регулирующего элемента.

В результате ко входу сглаживающего фильтра Ф будет приложено импульсное напряжение U_ф (см. рис. 2.).

Среднее значение этого напряжения U_фо зависит от соотношения времен замкнутого t_з и разомкнутого t_p состояния ключа РЭ и определяется формулой: U_фо=U_вх(t_з/(t_з+t_p)=U_вхt_з/Т=U_вхt_зf=U_вх/Q, где Т=t_з+t_p-период; f-частота переключения ключевого элемента; Q=T/t_р-скважность последовательности импульсов.

Изменение параметров t_з и f можно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключевым элементом РЭ.

Наибольшее распространение получили стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией, когда изменяется длительность управляющих импульсов t_з (время замкнутого состояния ключевого элемента РЭ), а частота f их следования остается неизменной.

В качестве схемы управления СУ в таких стабилизаторах может использоваться генератор импульсов ГИ, вырабатывающих прямоугольные импульсы с постоянной f. Длительность импульсов определяется величиной сигнала рассогласования, поступающего с выхода схемы сравнения СС.

Возможно построение стабилизатора с ШИМ на основе следующей структурной схемы на рис.3. РЭ - регулирующий элемент;Ф – фильтр;Н-нагрузка;ГЛИН - генератор линейно изменяющегося напряжения;КН - компаратор напряжения

Принцип работы схемы можно проиллюстрировать с помощью временных диаграмм (см. рис.4.). По способу включения регулирующего транзистора и дросселя, входящего в состав фильтра Ф, 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, то среднее значение напряжения на нагрузке:

U_н=(1/T)ò^t^н₀ i(t)R_нdt где t_н - длительность импульса замкнутого состояния ключа; T-период коммутации; i(t)- текущее значение 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.

а) б) в)

Рис.5.

Поясним особенности схем:

Схема с последовательным включением транзистора и дросселя (рис.5.(а)) позволяет получить на нагрузке напряжение, равное или меньшее напряжения питания.

Схема с последовательным включением транзистора и параллельным включением дросселя (рис.5.(б)) позволяет получить напряжение, большее или меньшее напряжения питания, при этом напряжение на выходе стабилизатора инвертируется.

Схема с параллельным включением транзистора и последовательным включением дросселя (рис.5.(в)) позволяет получить напряжение, равное или большее напряжения питания. Необходимо отметить, что известны различные варианты построения силовых цепей, однако все они могут быть сведены к трем, рассмотренным выше.

Процессы, характеризующие работу импульсного стабилизатора без учета особенностей схемы формирования управляющих импульсов, рассмотрим на примере ИСН, построенного по схеме рис.5.(а). Временные диаграммы работы такой схемы изображены на рис.6.

Рис.6 .

Предположим, что в момент времени t=0 регулирующий транзистор открыт и ток через катушку индуктивности нарастает по линейному закону: i_L=I_L₍₀₎+(U_вх-U_вых)t/L где i_L(0)-ток, проходящий через катушку в момент отпирания транзистора.

В момент времени t=t₁ ,транзистор закрывается(т.е. ключ размыкается). Ток i_L(t₁) убывает также по линейному закону, протекая через открытый диод: i_L=i_L₍_t₁₎-U_выхt/L

Затем в момент времени t₂ снова замыкается ключ (открывается транзистор) и ток i_L начинает увеличиваться по линейному закону. Цикл повторяется.

Режим работы стабилизатора при i_L(t₂) >0 называют режимом непрерывного тока.

В этом случае выражение для определения пульсаций тока, протекающего через катушку индуктивности можно записать так: Di_L=(U_вх-U_вых)(t₂-t₁)/2L=(U_вх-U_вых)t_замк/2L

Пульсацию выходного напряжения DU_вых определим, учитывая, что в установившемся режиме работы схемы средние значения токов, протекающих через катушку индуктивности и нагрузку, равны между собой.

Следовательно, среднее значение тока, протекающего через конденсатор, равно нулю, а изменение напряжения на нем или пульсация выходного напряжения определяется только пульсацией тока i_L0;напряжение на конденсаторе U_c увеличивается. При уменьшении i_L относительно I_L0 напряжение U_c также уменьшается.

Таким образом, можно записать уравнение баланса электрических зарядов в цепи катушки индуктивности и конденсатора.

Di_L/2*T/2=2DU_выхС (*) где Т-период переключения силового транзистора,Di_w/2-среднее значение пульсаций тока за половину периода, т.е. Т/2; 2DU_вых - изменение напряжения на конденсаторе за половину периода.

Из выражения (*) следует: DU_вых=Di_LT/8C=(U_вх-U_вых)t_замк/16LCf

Из данного выражения следует, что для обеспечения малой пульсации выходного напряжения необходимо увеличивать частоту переключения f. Однако при увеличении частоты возрастают потери мощности в РЭ, катушке индуктивности, что приводит, в конечном счете, к снижению КПД. Обычно частота регулирования импульсных стабилизаторов напряжения лежит в пределах 2-50 кГЦ.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 299; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!