Импульсные (ключевые) стабилизаторы

ИМПУЛЬСНЫЕ (КЛЮЧЕВЫЕ) СТАБИЛИЗАТОРЫ

Импульсные стабилизаторы (ИСН) отличаются высоким КПД (до 98%). Также они имеют лучшие массогабаритные характеристики по сравнению со стабилизаторами с непрерывным регулированием напряжения. У импульсных или ключевых стабилизаторов регулирующий элемент представляет собой периодически замыкаемый и размыкаемый транзисторный ключ, а стабилизация достигается управлением длительностью импульсов.

1. Принципы работы ИСН

Структурная схема ИСН приводится на рис. 1. 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.

Рис. 1. Структурная схема импульсного стабилизатора напряжения

Напряжение питания от сетевого выпрямителя или первичного источника (химической батареи, аккумулятора и т.п.) периодически прерывается транзисторным ключом импульсного коммутатора. Импульсный ток поступает на сглаживающий фильтр, который выделяет постоянную составляющую, которая и образует постоянное выходное напряжение. Аналогично непрерывному компенсационному стабилизатору выходное напряжение сравнивается с заданным напряжением и вырабатывается компенсирующий сигнал с помощью схемы сравнения. Компенсирующий непрерывный сигнал усиливается и в преобразователе формируется в прямоугольные импульсы, длительность которых меняется в зависимости от величины разностного сигнала. За счет этого после импульсного коммутатора получаем периодические импульсы, постоянная составляющая которых управляется разностным сигналом. Она автоматически меняется так, чтобы выходное напряжение оставалось неизменным.

В импульсных стабилизаторах обычно используется индуктивный фильтр с коммутирующим диодом. 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 на нагрузке составит

где t_И— длительность импульса замкнутого состояния ключа; Т — период коммутации; i(t)—текущее значение тока.

Возможны три варианта соединения силовых элементов, представленных на рис.2. Поясним особенности схем.

Риc. 2. Схемы соединения силовых элементов в импульсных стабилизаторах и зависимости U_н/U_пот коэффициента импульсного заполнения для этих схем

Схема с последовательным включением транзистора и дросселя (рис.2, а) позволяет получить при нагрузке напряжение, равное или меньшее напряжения питания.

Схема с последовательным включением транзистора и параллельным включением дросселя (рис.2, 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.2, в) позволяет получить напряжение, равное или большее напряжения