Меню

Импульсные повышающие стабилизаторы напряжения схемы

Импульсный стабилизатор напряжения – принцип работы стабилизатора

Линейные стабилизаторы имеют общий недостаток – это малый КПД и высокое выделение тепла. Мощные приборы, создающие нагрузочный ток в широких пределах имеют значительные габариты и вес. Чтобы компенсировать эти недостатки, разработаны и используются импульсные стабилизаторы.

Устройство, поддерживающее в постоянном виде напряжение на потребителе тока с помощью регулировки электронным элементом, действующим в режиме ключа. Импульсный стабилизатор напряжения, так же как и линейный существует последовательного и параллельного вида. Роль ключа в таких моделях исполняют транзисторы.

Так как действующая точка стабилизирующего устройства практически постоянно расположена в области отсечки или насыщения, проходя активную область, то в транзисторе выделяется немного тепла, следовательно, импульсный стабилизатор имеет высокий КПД.

Стабилизация осуществляется с помощью изменения продолжительности импульсов, а также управления их частотой. Вследствие этого различают частотно-импульсное, а другими словами широтное регулирование. Импульсные стабилизаторы функционируют в комбинированном импульсном режиме.

В устройствах стабилизации с регулированием широтно-импульсным частота импульсов имеет постоянную величину, а продолжительность действия импульсов является непостоянным значением. В приборах с регулированием частотно-импульсным продолжительность импульсов не изменяется, меняют только частоту.

На выходе устройства напряжение представлено в виде пульсаций, соответственно оно не годится для питания потребителя. Перед подачей питания на нагрузку потребителя, его нужно выровнять. Для этого на выходе импульсных стабилизаторов монтируют выравнивающие емкостные фильтры. Они бывают многозвенчатыми, Г-образными и другими.

Средняя величина напряжения, поданная на нагрузку, вычисляется по формуле:

Импульсный стабилизатор напряжения

  • Ти – продолжительность периода.
  • tи – продолжительность импульса.
  • Rн – значение сопротивления потребителя, Ом.
  • I(t) – значение тока, проходящего по нагрузке, ампер.

Ток может перестать протекать по фильтру к началу следующего импульса, в зависимости от индуктивности. В этом случае идет речь о режиме действия с переменным током. Ток также может дальше протекать, тогда имеют ввиду функционирование с постоянным током.

При повышенной чувствительности нагрузки к импульсам питания, выполняют режим постоянного тока, не смотря со значительными потерями в обмотке дросселя и проводах. Если размер импульсов на выходе прибора незначителен, то рекомендуется функционирование при переменном токе.

Принцип работы

В общем виде импульсный стабилизатор включает в себя импульсный преобразователь с устройством регулировки, генератор, выравнивающий фильтр, снижающий импульсы напряжения на выходе, сравнивающее устройство, подающее сигнал разности входного и выходного напряжения.

Схема основных частей стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Импульсный стабилизатор напряжения

Напряжение на выходе прибора поступает на сравнивающее устройство с базовым напряжением. В результате получают пропорциональный сигнал. Его подают на генератор, предварительно усилив его.

При регулировании в генераторе разностный аналоговый сигнал модифицируют в пульсации с постоянной частотой и переменной продолжительностью. При регулировании частотно-импульсном продолжительность импульсов имеет постоянное значение. Она меняет частоту импульсов генератора в зависимости от свойств сигнала.

Образованные генератором управляющие импульсы проходят на элементы преобразователя. Транзистор регулировки действует в режиме ключа. Изменяя частоту или интервал импульсов генератора, есть возможность менять нагрузочное напряжение. Преобразователь модифицирует значение напряжения на выходе в зависимости от свойств управляющих импульсов. По теории в приборах с частотной и широтной регулировкой импульсы напряжения на потребителе могут отсутствовать.

При релейном принципе действия сигнал, который управляется стабилизатором, образуется с помощью триггера. При поступлении постоянного напряжения в прибор транзистор, работающий в качестве ключа, открыт, и повышает напряжение на выходе. сравнивающее устройство определяет сигнал разности, который достигнув некоторого верхнего предела, поменяет состояние триггера, и произойдет коммутация регулирующего транзистора на отсечку.

Напряжение на выходе станет уменьшаться. При падении напряжения до нижнего предела сравнивающее устройство определяет сигнал разности, переключающий снова триггер, и транзистор опять войдет в насыщение. Разность потенциалов на нагрузке прибора станет повышаться. Следовательно, при релейном виде стабилизации напряжение на выходе повышается, тем самым выравнивается. Предел срабатывания триггера настраивают с помощью корректировки амплитуды значения напряжения на сравнивающем устройстве.

Стабилизаторы релейного типа имеют повышенную скорость реакции, в отличие от приборов с частотным и широтным регулированием. Это является их преимуществом. В теории при релейном виде стабилизации на выходе прибора всегда будут импульсы. Это является их недостатком.

Повышающий стабилизатор

Импульсные повышающие стабилизаторы применяют вместе с нагрузками, разность потенциалов которых выше, чем напряжение на входе приборов. В стабилизаторе нет гальванической изоляции сети питания и нагрузки. Импортные повышающие стабилизаторы называются boost converter. Основные части такого прибора:

Импульсный стабилизатор напряжения

Транзистор вступает в насыщение, и ток проходит по цепи от положительного полюса по накопительному дросселю, транзистору. При этом накапливается энергия в магнитном поле дросселя. Нагрузочный ток может создать только разряд емкости С1.

Читайте также:  При каком напряжении акб заряжен

Отключим выключающее напряжение с транзистора. При этом он вступит в положение отсечки, а следовательно на дросселе появится ЭДС самоиндукции. Оно будет коммутировано последовательно с напряжением входа, и подключено по диоду к потребителю. Ток пойдет по цепи от положительного полюса к дросселю, по диоду и нагрузке.

В этот момент магнитное поле индуктивного дросселя выдает энергию, а емкость С1 резервирует энергию для поддержки напряжения на потребителе после вхождения транзистора в режим насыщения. Дроссель является для резерва энергии и не работает в фильтре питания. При повторной подаче напряжения на транзистор, он откроется, и весь процесс пойдет заново.

Стабилизаторы с триггером Шмитта

Такой вид импульсного устройства имеет свои особенности наименьшим набором компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер. В его состав входит компаратор. Основной задачей компаратора является сравнивание величины выходной разности потенциалов с наибольшим допустимым.

Принцип действия аппарата с триггером Шмитта состоит в том, что при увеличении наибольшего напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноля с размыканием электронного ключа. В одно время разряжается дроссель. Когда напряжение доходит до наименьшего значения, то выполняется коммутация на единицу. Это обеспечивает замыкание ключа и прохождение тока на интергратор.

Такие приборы имеют отличия своей упрощенной схемой, но использовать их можно в особых случаях, так как импульсные стабилизаторы бывают только повышающими и понижающими.

Понижающий стабилизатор

Стабилизаторы импульсного типа, функционирующие с понижением напряжения, являются компактными и мощными приборами питания электрическим током. При этом они имеют низкую чувствительность к наводкам потребителя постоянным напряжением одного значения. Гальваническая изоляция выхода и входа в понижающих устройствах отсутствует. Импортные приборы получили название chopper. Выходное питание в таких устройствах постоянно находится меньше входного напряжения. Схема импульсного стабилизатора понижающего типа изображена на рисунке.

Импульсный стабилизатор напряжения

Подключим напряжение для управления истоком и затвором транзистора, который войдет в положение насыщения. По нему будет проходить ток по цепи от положительного полюса по выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении ток по диоду не протекает.

Отключим управляющее напряжение, которое выключает ключевой транзистор. После этого он будет находиться в положении отсечки. ЭДС индукции выравнивающего дросселя будет преграждать путь для изменения тока, который пойдет по цепи через нагрузку от дросселя, по общему проводнику, диод, и опять придет на дроссель. Емкость С1 будет разряжаться и будет удерживать напряжение на выходе.

При подаче отпирающей разницы потенциалов между истоком и затвором транзистора, он перейдет в режим насыщения и вся цепочка вновь повторится.

Инвертирующий стабилизатор

Импульсные стабилизаторы инвертирующего типа используют для подключения потребителей с постоянным напряжением, полюсность которого имеет противоположное направление полюсности разности потенциалов на выходе устройства. Его значение может быть выше сети питания, и ниже сети, в зависимости от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция сети питания и нагрузки отсутствует. Импортные приборы инвертирующего типа называются buck-boost converter. На выходе таких приборов напряжение всегда ниже.

Импульсный стабилизатор напряжения

Подключим управляющую разность потенциалов, которое откроет транзистор между истоком и затвором. Он откроется, и ток пойдет по цепи от плюса по транзистору, дросселю к минусу. При таком процессе дроссель резервирует энергию с помощью своего магнитного поля. Отключим разность потенциалов управления от ключа на транзисторе, он закроется. Ток пойдет от дросселя по нагрузке, диоду, и возвратится в первоначальное положение. Резервная энергия на конденсаторе и магнитном поле будет расходоваться для нагрузки. Снова подадим питание на транзистор к истоку и затвору. Транзистор опять станет насыщаться и процесс повторится.

Преимущества и недостатки

Как и все приборы, модульный импульсный стабилизатор не идеален. Поэтому ему присущи минусы и плюсы. Разберем основные из преимуществ:

  • Простое достижение выравнивания.
  • Плавное подключение.
  • Компактные размеры.
  • Устойчивость выходного напряжения.
  • Широкий интервал стабилизации.
  • Повышенный КПД.
  • Сложная конструкция.
  • Много специфических компонентов, снижающих надежность устройства.
  • Необходимость в использовании компенсирующих устройств мощности.
  • Сложность работ по ремонту.
  • Образование большого количества помех частоты.

Допустимая частота

Функционирование импульсного стабилизатора возможно при значительной частоте преобразования. Это является основной отличительной чертой от устройств, имеющих трансформатор сети. Увеличение этого параметра дает возможность получить наименьшие габариты.

Для большинства приборов интервал частот будет равен 20-80 килогерц. Но при выборе ШИМ и ключевых приборов необходимо учесть высокие гармоники токов. Верхняя граница параметра ограничена определенными требованиями, которые предъявляются к радиочастотным приборам.

Источник



Повышающий импульсный стабилизатор напряжения, источник питания. Преимущества, недостатки, применение. Принцип работы. Примеры схем

Как работает повышающий стабилизированный преобразователь напряжения. Где он применяется. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по разработке и расчету (10+)

Читайте также:  Формула для определения допускаемых контактных напряжений

Повышающий импульсный стабилизатор напряжения. Схемы. Расчет — Принцип действия

Повышающий преобразователь напряжения применятся тех схемах, где необходимо получить напряжение, большее, чем напряжение питания схемы. При этом важны малые габариты и высокий КПД, но терпим некоторый уровень высокочастотных шумов.

Принцип работы повышающего стабилизированного преобразователя напряжения очень похож на принцип работы понижающего преобразователя. Я рекомендую ознакомиться со статьей по ссылке, прежде чем читать этот материал. Несколько другая схема включения индуктора, диода и конденсатора позволяет получить на выходе повышенное напряжение.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Когда ключ замкнут, к катушке индуктивности приложено входное напряжение. Сила тока в дросселе нарастает, индуктор накапливает энергию. Ток идет по контуру S1. Диод исключает разряд выходного конденсатора C2 через замкнутый ключ. В этот период времени выходной ток, потребляемый нагрузкой, поддерживается за счет заряда, накопленного на конденсаторе C2.

Так как моментально изменение силы тока через дроссель невозможно, после размыкания ключа, ток дросселя через диод течет по контуру S2. Он заряжает выходной конденсатор C2. При этом напряжение на этом конденсаторе получается больше, чем входное.

Блок управления D1 формирует широтно-импульсно модулированный сигнал, то есть формирует импульсы управления ключом переменной скважности. Время, в течение которого ключ остается открытым, зависимост от напряжения на конденсаторе C2.

Конденсатор C1 нужен для того, чтобы защитить входную цепь от пульсаций тока, отбирать из нее не импульсный, а средний ток.

Преимущества, недостатки, применимость

Потери энергии в повышающем преобразователе, также как и в понижающем, и в инвертирующем, пропорциональны отношению входного и выходного напряжений. Поэтому инвертирующие преобразователи применяются, если выходное напряжение больше входного не более чем 4 раза.

В таком преобразователе не применяется выходной трансформатор, следовательно нет паразитной индуктивности утечки между обмотками — главной причиной, ограничивающей мощность импульсных преобразователей. С другой стороны, мы не имеет возможность развязать входную и выходную цепи.

Примером схемы повышающего преобразователя напряжения может быть Корректор коэффициента мощности.

Проектирование инвертирующего преобразователя

Рассмотрим типичные схемы повышающего преобразователя и подробно разберем процесс проектирования и расчета. В конце статьи будет форма, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов. Эта форма считает номиналы сразу для всех трех схем. Если в выбранной Вами схеме этих элементов нет, то их номиналы нужно игнорировать.

Повышающая топология — самая простая в реализации, так как эмиттер (исток) силового транзистора в не соединен с общим проводом. Нет необходимости в специальных ухищрениях при подаче управляющего напряжения на базу (затвор). Достаточно подать это напряжение напрямую. С формированием сигнала обратной связи тоже нет никаких проблем. Если ток нагрузки относительно небольшой, то и сигнал ограничения тока снять совсем просто. В эмиттерной (истоковой) цепи устанавливается резистор. Если ток через этот резистор превышает максимально допустимый, то напряжение на этом резисторе превышает напряжение срабатывания защиты контроллера, и ключ принудительно закрывается.

Если ток нагрузки большой, то потери энергии на резисторе R7 становятся недопустимой роскошью. Тогда применяется трансформатор тока.

Если применяется маломощный контроллер, не способный раскачать мощный биполярный транзистор, то нужно поставить дополнительный транзистор, как это показано на схеме. Применение составного транзистора нежелательно, так как потери энергии на транзисторе тем больше, чем больше напряжение насыщения коллектор — эмиттер, а у составного транзистора напряжение насыщения больше в разы, чем у обычного.

На схеме 3 показано применение трансформатора тока и дополнительного маломощного транзистора. Но это не означает, что их можно применять только вместе. Трансформатор тока можно применять в схемах с полевым транзистором и в схемах с мощным контроллером. А маломощный транзистор можно применять в схемах с резистором R7. Эти два решения показаны на одной схеме просто для примера. Обратите внимание! Если в схеме 3 для управления транзисторами используется ШИМ — контроллер с открытым эмиттером на выходе, то между базой и эмиттером транзистра VT7 нужно включить резистор сопротивлением 300 — 400 Ом для надежного запирания транзистора VT7. Если же на выходе контроллера стоит двухтактный каскад, как в той микросхеме, которую применяем мы, то в таком резисторе потребности нет.

Читайте также:  Защита устройств от превышения напряжения

Как быть в случае, если входное напряжение больше, чем допустимое напряжение на затворе полевого транзистора или допустимое напряжение питания контроллера, описано в статье про понижающий преобразователь. Для повышающего решение совершенно аналогично.

Для примера в качестве ШИМ — контроллера мы используем микросхему 1156EU3.

В схемах в качестве силового ключа используются мощный биполярный транзистор или мощный полевой транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора и полевого транзистора в качестве силового ключа.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Инвертирующий импульсный преобразователь напряжения, источник питания.
Как работает инвертирующий стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание.

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму.
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи.

Мостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, исто.
Как работает мостовой стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание прин.

Понижающий импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Ко.
Как сконструировать понижающий импульсный преобразователь. Шаг 1. Как выбрать ча.

Бесперебойник своими руками. ИБП, UPS сделать самому. Синус, синусоида.
Как сделать бесперебойник самому? Чисто синусоидальное напряжение на выходе, при.

Источник

Импульсные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы позволяют теоретически достигнуть коэффициента полезного действия 100%. Это позволяет создавать достаточно мощные стабилизаторы с небольшими габаритами и очень малыми потерями. В реальных устройствах достигается кпд, равный . В этом смысле импульсные стабилизаторы работают как трансформаторы постоянного тока. Высокий кпд достигается за счет ключевого режима работы регулирующего элемента. В качестве основного недостатка импульсных стабилизаторов следует отметить высокий уровень помех, что делает их непригодными в ряде узлов радиоэлектронных устройств, таких как опорные генераторы, усилители радиочастоты приемников в радиостанциях и сотовых телефонах.

Импульсный стабилизатор осуществляет преобразование напряжения за счет явления самоиндукции в индуктивности накопительного дросселя L1. При этом в зависимости от схемы включения дросселя импульсные стабилизаторы могут понижать или повышать выходное напряжение. Более того! Импульсные стабилизаторы могут изменять полярность постоянного напряжения. В качестве примера на рисунке 1 приведена схема импульсного стабилизатора, понижающая выходное напряжение.

Схема понижающего импульсного стабилизатора
Рисунок 1. Схема понижающего импульсного стабилизатора напряжения

Рассмотрим принцип работы этой схемы. Когда ключ K1 замкнут, ток от источника первичного питания протекает через дроссель L1. При этом он накапливает энергию в магнитном поле. По мере насыщения магнитного потока дросселя, ток, протекающий через него, а значит и ток силового ключа K1 нарастает. Когда он размыкается, ток, протекающий через дроссель, не может мгновенно упасть до нуля за счет самоиндукции и продолжает протекать в нагрузку через открытый диод VD. Индуктивность дросселя должна быть больше критической, чтобы ток в нём не уменьшался до нуля. При этом условии напряжение на нагрузке также не будет иметь провалов и его среднее значение будет равно заданному значению.

Подобным образом работает и импульсный стабилизатор, повышающий входное напряжение. Его схема приведена на рисунке 2.

Схема импульсного стабилизатора, повышающего напряжение
Рисунок 2. Схема импульсного стабилизатора, повышающего напряжение

В этой схеме, как и в предыдущей схеме импульсного стабилизатора, накопление энергии происходит в дросселе L1. Отличие заключается в том, что в этот момент времени ток на выход устройства не поступает, и нагрузка питается от энергии, запасенной в конденсаторе С1. После размыкания ключа K1, источник питания и дроссель L1 оказываются включенными последовательно. Напряжение, формируемое ими суммируется и через открытый диод VD1 поступает на выход схемы. Таким образом, напряжение на выходе всегда будет больше входного.

При работе данной схемы следует учитывать тот факт, что ток, протекающий через ключ K1 может быть больше тока, протекающего через нагрузку. В результате напряжение, формирующееся на дросселе L1, будет больше напряжения питания. Иными словами, дроссель L1 в схеме, приведенной на рисунке 2, работает как трансформатор напряжения.

Теперь рассмотрим, как работает импульсный стабилизатор, изменяющий полярность входного напряжения. Его схема приведена на рисунке 3.

Схема импульсного стабилизатора, инвертирующего напряжение
Рисунок 3. Схема импульсного стабилизатора, инвертирующего напряжение

Метод формирования сигнала управления ключом поясняется эпюрами рис.4.21.

Рисунок 2. Формирование сигнала управления ключом

Если входное напряжение стабилизатора изменяется в пределах , то при ШИМ период остаётся постоянным, изменяется длительность импульса ( tИ ), следовательно, изменяется и коэффициент заполнения

Источник