5.1. Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с импульсным регулированием

Постоянное совершенствование аппаратуры связи предъявляет все более высокие требования к таким показателям качества источников вторичного электропитания, как надежность, коэффициент стабилизации, выходное сопротивление, масса и габариты, энергетическая эффективность и др.

Эффективным способом достижения компромиссного решения для удовлетворения указанных противоречивых требований является использование импульсного режима работы регулирующего транзистора стабилизатора, который периодически переключается из режима насыщения в режим отсечки.

Значение мощности в нагрузке определяется напряжением источника, сопротивлением нагрузки и соотношением времени открытого и закрытого состояний транзистора. Изменяя это соотношение, можно регулировать мощность, передаваемую в нагрузку, без значительных ее потерь на регулирующем элементе.

Для сглаживания пульсаций, вызванных периодическим замыканием и размыканием транзисторного ключа, в силовую цепь стабилизатора включают пассивный сглаживающий фильтр. Соотношение интервалов времени открытого и закрытого состояний транзисторного ключа определяется сигналом, формируемым в цепи обратной связи.

Стабилизатор напряжения (тока), регулирующий элемент которого работает в режиме периодического переключения, называется стабилизатором с импульсным регулированием, или импульсным (ключевым) стабилизатором.

Рис. 5.1.Функциональная схема силовой цепи импульсного стабилизатора постоянного напряжения типа ПН.

На рис. 5.1 приведена функциональная схема силовой цепи компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с импульсным регулированием, в котором регулирующий элемент условно показан в виде ключа Кл. Этот ключ периодически замыкается, и на вход Г-образного сглаживающего LC-фильтра подаются импульсы напряжения (рис. 5.2), амплитуда которых равна величине входного напряжения Uвх, а длительность tи – времени, соответствующему замкнутому состоянию ключа Кл. Интервал, в течение которого ключ Клразомкнут, равен длительности паузы tп между соседними импульсами. Период следования импульсов равен сумме длительностей импульсов tии tп: T = tи + tп.

Рис. 5.2.График изменения во времени напряжения на входе сглаживающего фильтра в импульсном стабилизаторе типа ПН.

Для идеального сглаживающего фильтра, в котором нет падения напряжения, среднее значение напряжения на выходе фильтра, т. е. на выходе стабилизатора:

.

Из полученного соотношения следует, что при постоянных значениях Uвх и Твеличина выходного напряжения стабилизатора Uвых пропорциональна длительности импульса Iи. Отношение длительности импульсов Iи к периоду их следования Тназывается коэффициентом заполнения:

. (5.2)

Соответственно при Т = const получается

, (5.3)

где Kз< 1, т. е. среднее значение выходного напряжения в рассматриваемой схеме будет всегда меньше среднего значения входного напряжения. Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения, у которых Uвых KЗ.

Коэффициент сглаживания пульсаций Г-образного фильтра тем больше, чем выше частота пульсаций wп по отношению к собственной частоте LС-контура w0, т. е. чем меньше период следования импульсов Тпо сравнению с периодом 2p/w0.

В момент замыкания ключа Кл на вход фильтра подается напряжение Uвх и через реактор L начинает протекать ток i(L),возрастающий по линейному закону благодаря тому, что постоянная времени цепи t= L/Rдостаточно велика. Если рассматривается установившийся режим работы ключа (после большого числа его замыканий и размыканий), то к реактору прикладывается напряжение, равное разности между Uвх и напряжением на конденсаторе uс: uL=Uвх-uс.При этом вентиль Доказывается закрытым под действием обратного напряжения, равного по величине Uвх. Конденсатор Ссначала продолжает разряжаться на сопротивление нагрузки при uс>(Uвх-uL),а затем начинает заряжаться при uс0), то режим работы силовой цепи импульсного стабилизатора называется режимом непрерывного тока реактора. Режим прерывистого тока реактора, при котором в интервале tп ток в обмотке реактора снижается до нуля, имеет тот недостаток, что ухудшается сглаживание пульсаций на выходе стабилизатора. Режим непрерывного тока реактора получается тогда, когда величина индуктивности реактора выбирается больше критической Lкр, которая соответствует нулевому значению тока в обмотке реактора в момент, предшествующий замыканию ключа Кл.

При непрерывном протекании тока через индуктивность среднее значение тока в нагрузке Iн равно среднему значению тока индуктивности:

. (5.4)

Функциональная схема силовой цепи импульсного стабилизатора постоянного напряжения типа ПВ, приведенная на рис. 5.3, содержит четыре основных элемента: ключ Кл, реактор L, конденсаторС и вентиль Д. Из этих же элементов можно синтезировать силовую цепь импульсного стабилизатора постоянного напряжения, у которого величина напряжения на выходе Uвых будет больше величины напряжения на его входе Uвх. Функциональная схема силовой цепи такого стабилизатора, называющегося повышающим или типа ПВ, приведена на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Функциональная схема силовой цепи импульсного стабилизатора постоянного напряжения типа ПВ.

Рассмотрим установившийся режим работы ключа Кл. При его замыкании к реактору, L прикладывается входное напряжение Uвх и через реактор начинает протекать линейно нарастающий ток, поскольку постоянная времени цепи заряда -tз=L/RL (RL-активное сопротивление обмотки реактора) обычно много больше времени, в течение которого ключ Кл замкнут. Предполагаем, что реактор работает в режиме непрерывного протекания тока. При этом в магнитном поле реактора запасается электромагнитная энергия, равная WL=Li2L/2.Вентиль Д в этот интервал не пропускает тока, так как к нему приложено обратное напряжение Uсконденсатора С,которое образовалось в результате большого числа замыканий и размыканий ключа Кл. Напряжение на сопротивлении нагрузки Rн в интервале tиравно напряжению на конденсаторе С. Электродвижущая сила обмотки реактора в этом интервале равна величине входного напряжения и имеет полярность, обратную полярности напряжения на входе Uвх (показана на рис. 5.3 без скобок).

При размыкании ключа Кл ток, протекающий через реактор, и магнитный поток в сердечнике реактора не могут мгновенно снизиться до нуля.

Реактор в схеме стабилизатора типа ПВ не участвует в сглаживании пульсаций напряжения на сопротивлении нагрузки, а является элементом, в котором запасается электромагнитная энергия во время tи. В интервале tпэта энергия суммируется с энергией источника входного напряжения и передается в нагрузку. Поэтому наличие конденсатора С в схеме стабилизатора является принципиально необходимым, так как он является единственным элементом, обеспечивающим поддержание постоянного напряжения на нагрузке стабилизатора в интервале tи. В импульсном стабилизаторе типа ПВ напряжение на выходе стабилизатора Uвыхсвязано с напряжением на его входе Uвх выражением

, (5.5)

где КЗ-коэффициент заполнения, определяемый по (5.2). Из (5.5) следует, что выходное напряжение стабилизатора типа ПВ всегда больше входного. Выходное напряжение тем больше входного, чем больше значение коэффициента заполнения КЗ.

Приведенный выше принцип действия двух основных схем импульсных стабилизаторов постоянного напряжения показывает, что при импульсном методе стабилизации постоянного напряжения, не изменяя величины напряжения на входе стабилизатора Uвх, можно регулировать величину стабилизированного выходного напряжения Uвых. При этом отпадает необходимость применения трансформатора, которыйявляется обязательным элементом преобразователя постоянного напряжения, также осуществляющего преобразование постоянного напряжения. Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения позволяют преобразовывать постоянное напряжение одного значения в постоянное напряжение других значений и полярности и одновременно обеспечивают стабилизацию этого напряжения.

В схемах силовых цепей импульсных стабилизаторов постоянного напряжения типов ПН, ПВ и ПИ в качестве ключа Кл, как правило, используется транзистор, работающий в импульсном режиме. Транзистор, работающий в режимах насыщения и отсечки, по своим параметрам наиболее близок к идеальному ключу, так как сопротивление его перехода коллектор—эмиттер в состоянии насыщения мало (для мощных кремниевых транзисторов 0,1–0,25Ом), а сопротивление в состоянии отсечки велико и достигает 105–106Ом. Для управления транзистором при импульсном режиме его работы используется цепь обратной связи, назначение которой состоит в изменении длительности импульсов или пауз между ними в соответствии с величиной отклонения выходного напряжения стабилизатора.

Если цепь обратной связи формирует сигнал, который открывает регулирующий транзистор при уменьшении выходного напряжения ниже уровня (порога) Uвых min, и закрывает регулирующий транзистор при увеличении выходного напряжения выше порога Uвых m, то такой стабилизатор называют релейным или двухпозиционным.

Цепь обратной связи преобразует непрерывный во времени сигнал (отклонения выходного напряжения) в импульсный сигнал, который имеет дискретный характер. Такой процесс преобразования непрерывного сигнала называется квантованием сигнала. В этом случае непрерывный сигнал квантуется по уровню. Сигнал, квантованный по уровню, может принимать только вполне определенные дискретные значения, соответствующие пороговым значениям непрерывного сигнала.

Рис. 5.4.Структурная схема двух позиционного импульсного стабилизатора постоянного напряжения.

Частота переключения регулирующего транзистора в релейном стабилизаторе не постоянна, а изменяется в процессе работы стабилизатора в зависимости от изменения входного напряжения и тока нагрузки.

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения с релейным регулированием в цепи обратной связи имеет пороговый элемент, напряжение, на выходе которого принимает дискретные значения 0, и Uy при изменении напряжения на выходе стабилизатора от Uвых m до Uвыхmin. Амплитуды пульсации напряжения на выходе стабилизатора также определяются пороговыми значениями на­пряжений Uвых m и Uвыхmin.

На рис. 5.4 приведена структурная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения с релейным регулированием, силовая цепь которого выполнена по схеме ПН.

Напряжение Uвых (или его часть) поступает на вход усилителя постоянного тока УНТ, где сравнивается с опорным напряжением источника (ИОН). Разность этих напряжений усиливается в УНТ и поступает на вход порогового элемента ПЭ. При возрастании выходного напряжения до значения Uвых m напряжение на выходе УПТ достигает значения, равного верхнему порогу срабатывания порогового элемента ПЭ, который скачком изменяет свое состояние, и формирует сигнал, выключающий регулирующий элемент РЭ. При этом напряжение на выходе стабилизатора начинает уменьшаться. При уменьшении выходного напряжения до значения Uвых minнапряжение на выходе УПТ достигает значения, равного нижнему порогу срабатывания ПЭ, который формирует сигнал на включение РЭ. Напряжение на выходе стабилизатора начинает увеличиваться, и далее процесс повторяется. Таким образом, регулирующий элемент включается и выключается в моменты времени, когда величина выходного напряжения стабилизатора достигает значений Uвых min и Uвых m. Среднее значение этого напряжения на выходе СФ равно номинальной величине напряжения на нагрузке Uвых.ном, а амплитуда пульсации равна (Uвых m-Uвых min)/2.

При увеличении напряжения на входе стабилизатора Uвх скорость возрастания выходного напряжения увеличивается и пороговый элемент ПЭ раньше формирует сигнал на выключение РЭ, уменьшая тем самым длительность tи включенного состояния РЭ. Время tп, в течение которого РЭ находится в выключенном состоянии, определяется только временем разряда емкостиС силовой цепи на сопротивление нагрузки Rн(см. рис. 5.4), поскольку в этот интервал входное напряжение t/BX отключено от схемы. Частота переключения РЭ в релейном стабилизаторе изменяется при изменении напряжения на входе стабилизатора Uвх, так как изменяется период T = tи + tп.

Изменение частоты переключения РЭ под воздействием дестабилизирующих факторов является недостатком релейных импульсных стабилизаторов постоянного напряжения, так как элементы сглаживающего фильтра СФ (L и С) должны быть рассчитаны из условия снижения амплитуды пульсаций на нагрузке до допустимой величины при минимальном значении частоты. Амплитуда пульсаций выходного напряжения (Uвых m-Uвых min)/2определяется разностью напряжении верхнего и нижнего порогов срабатывания ПЭ и коэффициентом усиления УПТ. Она может быть уменьшена путем увеличения коэффициента усиления УПТ и уменьшения разности между нижним и верхним порогами срабатывания ПЭ.

Достоинством релейного импульсного стабилизатора постоян­ного напряжения является относительная простота схемы и практическая безынерционность работы, так как момент переключения РО определяется пороговыми значениями Uвых.