Стабилизаторы с непрерывным регулированием

Существенным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием являются их низкая экономичность, что ведет к увеличению габаритов.

В импульсных стабилизаторах регулирующий транзистор работает в ключевом режиме, который характеризуется быстрым переходом рабочей точки из области отсечки в область насыщения. При этом мощность, рассеиваемая на регулируемом элементе во много раз меньше, чем при его работе в линейном режиме. Повышение КПД стабилизатора при ключевом режиме работы позволяет уменьшить габариты.

В общем виде структурная схема импульсных стабилизаторов имеет следующий вид:

Рис.20

СФ - сглаживающий фильтр принципиально необходим, так как ток в нагрузку поступает импульсно.

ИФ – импульсный элемент служит для управления работой регулирующего элемента.

Наибольшее применение получили два типа импульсных стабилизаторов: стабилизатор с ШИМ и релейные или двухпозиционные стабилизаторы.

В стабилизаторах с ШИМ регулирующий элемент переключается с постоянной частотой, по времени открытого и закрытого состояния силового транзистора изменяется импульсным элементом таким образом, чтобы выходное напряжение оставалось неизменным. Т.е. изменяется скважность Q=T/tu , оставляя неизменным значение постоянной составляющей Uo выходного напряжения.

В релейных стабилизаторах в качестве импульсного элемента применяется триггер, который управляет процессом переключения регулирующего транзистора. При подаче постоянного напряжения на вход стабилизатора в первый момент регулирования транзистор открыт и напряжение на входе стабилизатора увеличится. Соответственно растет сигнал на входе схемы сравнения. При определенной величине выходного напряжения величина сигнала на выходе схем сравнения станет достаточной для срабатывания триггера, последний срабатывает и закрывает регулирующий элемент. Напряжение на входе стабилизатора начинает уменьшаться, что приведет к уменьшению сигнала (нижний порог срабатывания) триггер вновь срабатывает и откроет регулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабилизатора начинает увеличиваться. Таким образом будет повторяться. Изменение входного напряжения или тока нагрузки стабилизатора приведет изменению продолжительности открытого или закрытого состояния регулирующего транзистора и к изменению частоты его переключения, а среднее значение выходного напряжения будет поддерживаться неизменным с определенной степенью точности.

Наиболее значительный узел изучаемой дисциплины – это силовая часть импульсного стабилитрона, которая независимо от типа содержит в себе регулируемый транзистор VT11, дроссель L1, емкость С1 и коммутирующий диод VD1, включены по следующей схеме:

Рис.21

Рассмотрим процессы, происходящие в регулирующем транзисторе и коммутирующем диоде токов и напряжений, представленных на рисунке.

В момент t1 в цепь базы закрытого транзистора VT11 подается импульс тока, достаточный для насыщения цепи коллектора. Рабочая точка перемещается из области отсечки в область насыщения за время tin, которое зависит от величины тока базы и частотных свойств транзистора.

Рис. 22

Исходя из постоянного тока в дросселе, ток диода VД1 уменьшается, напряжение на диоде мало а к транзистору приложено напряжение равное входному Uвх. Из-за конечного времени запирания диода ток диода некоторое время имеет обратный знак, на токе коллектора появляется выброс.

В момент времени t2коллекторный ток транзистора становится равным Iк11 min= IД2 min.Напряжение UК11 уменьшается до напряжения насыщения, а ток в диоде Д1 падает до 0. в интервале времени t2 – t3ток коллектора возрастает, ток диода равен обратному току а напряжение на диоде равно входному.

В момент t3 на базу транзистора подается запаздывающее напряжение, ток базы меняет свое напряжение, а ток коллектора начинает уменьшаться с задержкой на время рассасывания избыточной концентрации не основных носителей в базе.

Как только транзистор начинает закрываться, ЭДС самоиндукции дросселя меняет знак и диод включается. Напряжение на диоде падает до 0. Переход транзистора из насыщенного состояния в режиме отсечки происходит за время величина которого зависит от частотных свойств транзистора и от величины тока базы ∆Iбз .

Величина ∆Iбзв основном зависит от внутреннего сопротивления запирающего источника тока, так как в интервале рассасывания эмиттерный переход Т11представляет собой весьма небольшое сопротивление.

В момент времени t4ток iк11уменьшается до минимальной величины, а ток iД2 увеличивается до IД2 max= Iк11 max.

В интервале t4- t5ток диода уменьшается. Напряжение Uк11 = Uвх. Начиная с момента времени t5, процесс повторяется.

Очень важным параметром импульсного стабилитрона является мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором. Величина этой мощности определяет КПД всего устройства и в значительной степени влияет на его габариты.

Она состоит из трех: мощности в режиме отсечки Рко, в режиме насыщения Ркни в режиме переключения Ркп

Рко = Uо Iко(1-γ)

Ркн = Uкэ нас Iкmaxγ

Ркп= UоIкmax(t in + t off) fo/2

Рк = Рко+ Ркн+ Ркп

Где Iко– начальный коллекторный ток транзистора;

Uкэ нас– напряжение коллектор-эмиттер транзистора в режиме насыщения;

Iкmax– максимальный коллекторный ток;

tin– время включения;

toff– время выключения;

fo– частота переключения;

γ– относительное время открытого состояния транзистора, γ= Ти / То

При малых Iкосуммарная мощность в основном определяется Ркни Ркп.

В стабилизаторах напряжения γ= Uвых / Uочем больше Uотем меньше γи меньше Ркн.

Составляющая Ркпзависит от частотных свойств транзистора (tin+ toff) и частоту переключений fo.

На входе фильтра импульсного стабилизатора напряжения имеем форму прямоугольных импульсов. Амплитуда пульсации выходного напряжения максимальна при γ= 0.5.

В качестве импульсных элементов стабилизаторов напряжения используются триггеры, мультивибраторы и т.д.

Рассмотрим схему с триггером на туннельном диоде.

Рис 23

Схема сравнения аналогична схеме в стабилизаторе с непрерывным регулированием.

Положим в момент tо напряжение на входе стабилизатора уменьшится до величины при которой срабатывает триггер. Ток коллектора ТУ скачком уменьшается до нуля.

Закрываются транзисторы Т3 и Т2 и транзисторы Т12 и Т11 открываются, а емкость Сзапзаряжается через сопротивление RZ1. напряжение на входе фильтра скачком возрастает до Uвх. Диод VD2закрывается. Ток дросселе и транзисторе Т11 начинает увеличиваться. Напряжение на выходе стабилизатора определяется некоторым временем перехода, пока ток в дросселе не сравняется с током нагрузки, а затем начинает расти. В момент t1 напряжение на базе Тудостигает такой величины, при которой вновь срабатывает триггер. Ток коллектора Т4 скачком достигает максимума. Транзисторы Т2 и Т3 открываются, подключая между базой и эмиттером транзисторов Т11 и Т12 емкость Сзап. Т11 и Т12 закрываются. Дроссель начинает разряжаться через VD2 на нагрузку, поэтому напряжение на входе стабилизаторы еще некоторое время увеличивается пока ток в дросселе больше тока нагрузки, а затем начинает уменьшатся. Приходим к первоначальному состоянию, когда открылся регулирующий транзистор, так процесс повторяется.

При изменение входного напряжения или тока нагрузки изменяется скважность импульсов тока регулирующих транзисторов, а среднее значение выходного напряжения остается неизменным.

Коэффициент затухания фильтра повышают, увеличив индуктивность дросселя при соответствующем уменьшении емкости (из условия постоянства резонанса частот). Однако это приводит к значительному увеличению габаритов дросселя.

Повышение частоты колебании без изменения параметров фильтра, порогов срабатывания триггера и коэффициента усиления усиление может быть достигнуто введением дополнительных ускоряющих элементов, которые значительно снижают амплитуду пульсации.

Подавление пульсации, которое особенно затруднено при большой выходной мощности более эффективно осуществляется в непрерывно – импульсных стабилизаторах.

Рис 24

Импульсный стабилизатор управляется напряжением, снимаемым с R_u, которое изменяется пропорционально току непрерывного стабилизирования.

При подключении входного напряжения, ток через РТ_л увеличивается до достижения порога срабатывания триггера, который включает РТ_И, ток через дроссель начинает увеличиваться, а через РТ_Л уменьшаться.

Опять триггер закрывается и начинает расти ток через РТ_Л, однако колебания тока через R_Uограничены порогами срабатывания триггера. Элементы схемы выбраны таким образом, чтобы основная мощность проходила через РТ_И, а РТ_Л в основном уменьшает пульсации выходного напряжения.

Могут быть и другие варианты построения комбинированных стабилизаторов напряжения. Например, с регулированием по переменному току, а затем по постоянному.

Преобразователи постоянного напряжения.

Часто при питании электронных устройств ИП являются низковольтными, а для питания цепей потребления требуются значительное напряжение. При этом прибегают к преобразованию напряжения. Для этого используют инвенторы и конвенторы. Использую электромагнитные преобразователи, вибропреобразователи и статические преобразователи на п/п приборах.

Электромагнитные преобразователи вырабатывают напряжение в синусоидной форме, в то время как полупроводниковые и вибропреобразователи — напряжения прямоугольной формы. В настоящее время используются статические преобразователи с выходным напряжением по форме близким к синусоидной. Недостаток электромагнитных преобразователей большие габариты и масса. Вибропреобразователи маломощны и малонадежны. Поэтому наибольшее применение находят полупроводниковые преобразователи с малыми габаритами и массой, высоким КПД и эксплуатационной надежностью.

Построение преобразователей на тиристорах и транзисторах следует связывать с величиной питающих напряжений, требуемой мощности, характером изменяемой нагрузки.

Транзисторные преобразователи напряжения.

Они подразделяются по способу возбуждения на два типа: с самовозбуждением и преобразователи с усилением мощности. Транзисторы могут включаться по схеме ОЭ, ОК и ОБ, но наиболее широко используются включение с ОЭ, т. к. в этом случае реализуется максимальное усиление транзисторов по мощности и наиболее просто достигаются условия самовозбуждения. Преобразователи с самовозбуждением выполняются на мощности до нескольких десятков ватт на однотактных и двухтактных схемах.

Простейшая схема однотактного преобразователя представляет собой релаксационный генератор с трапецеидальной обратной связью.

Рис. 25.

При подключении напряжения питания через резонатор R_CMна базу транзистора подается отпирающий потенциал. Транзистор открывается и через первичную обмотку W_Kтранзистора протекает ток, который вызывает нарастание магнитного потока в магнитопроводке транзистора. Появляющееся при этом напряжение на обмотке W_Kтрансформируется в общую положительную обратную связь W_B, полярность подключения напряжения такова, что она способствует полному открытию транзистора. Когда ток коллектора достигает своего максимального значения I_K=I_Bh_21Э,нарастание минимального потока прекратится, полярность напряжения на обмотках трансформатора изменится на обратную и происходит лавинообразный процесс запирания транзистора. Напряжение на вторичной обмотке транзистора имеет прямоугольную форму.

Полярность подключения силового диода выпрямителя во вторичной обмотке транзистора определяет способ передачи энергии в нагрузку. Диод открывается когда закрывается транзистор, заряжается конденсатор, который поддерживает постоянство тока в нагрузке. При прямом включении диода передача энергии источника напряжения U_pв нагрузку R_nпроисходит в период времени t_и, когда транзистор и силовой диод VD1 открыты. В дросселе запасается энергия W=0,5L_фI²_nt_и. Конденсатор сглаживающего фильтра С_ф при этом заряжается выпрямленным напряжением до U_н.

В течении паузы t_п, когда транзистор закрыт цепь тока I_нзамыкается через дроссель Lф и блокирующий диод VD2, как и в импульсном стабилизаторе с последовательным регулированием.

В однотактных преобразовательных трансформаторах работает с подмагничиванием, для борьбы с которым можно применить сердечник с зазором. Однако он не подходит при использовании тор. транзисторов. В нашем случае используется блокировочный конденсатор, который в течении паузы t_празряжается через обмотку W1, перемагничивая сердечник током разряда.

Ёмкость С_бл. Выбирается из условия, чтобы при максимальном коэффициенте γ_maxдлительность паузы t_пбыла не меньше четверти перехода колебаний контура L_iC_бл.

Такой преобразователь с обратным включением диода обеспечивает развязку и защиту входного напряжения от помех по входным шинам питания.

Параметры преобразователя определяются по следующим формулам:

U_н=U_п(I_кт/2I_н-W₁/W₂)

tu=IктL1/U_п

t=I_КТL₂W₁/UнW₂

γ=F_пI_ктL₁/U_п=t_y/(t_u+t_п)

Лучшие массогабаритные показатели имеет двухтактный преобразователь с насыщающимся трансформатором.

Трансформатор выполняется на магнитопроводе с прямоугольной петлёй гистерезиса. Здесь так же используются положения ОС. Генератор работает следующим образом. При включении напряжения питания U_пиз-за не идентичности параметров одни из транзисторов, например, VT1, начинают открываться и его коллекторный ток увеличиваться, обмотки обратной связи Wbподключены так, что поведение в них ЭДС полностью открывает транзистор WT1 и закрывает транзистор WT2.

Переключение параметров начинается в момент насыщения транзистора. Вследствие этого поведение во всех областях трансформатора уменьшается до нуля, а затем уменьшает свою полярность. Теперь на базу ранее открытого транзистора WT1 подается отрицательное напряжение, а на базу ранее закрытого транзистора WT2 поступает положительное напряжение и он начинает открываться. Этот регенеративный процесс формирования фронта выходного напряжения протекает очень быстро. В данном процессе в схеме частое переключение зависит от значения напряжения питания, параметров трансформатора, и транзисторов и рассчитывается по формуле:

fп=(U_п-U_кэнас)10⁴/B_sW_кS_cK_c

Рисунок 26.

Такой режим более экономичен, чем при переключении за счет предельного тока коллектора и работа преобразователей более устойчива.

Такие преобразователи используются как задающие генераторы для усиления мощности и как автономные маломощные источники электропитания.

Основные достоинства:

1. Простора схемы.

2. Нечувствительность к коротким замыканиям в цепи нагрузки.

Недостаток преобразователей с насыщающимся сердечником является наличие выбросов коллекторного тока в момент переключения транзисторов, что увеличивает потери в преобразователе.

Напряжение на закрытом транзисторе может достигать значений:

Uкэт=(2,2-2,24)Uпmax.

два напряжения это сумма Uп+ЭДС на неработающей обмотке, кроме того выбросы напряжений во время переключений. Для уменьшения последних в схемы иногда включают шунтирующие диоды, поэтому такие схемы используются при сравнительно низких напряжениях источников питания Uп=25-30Вольт. При преобразовании больших мощностей, наибольшее распространение получили преобразователи с использованием усилителя мощности. В качестве задающего генератора можно использовать преобразователь с самовозбуждением. Применение таких преобразователей целесообразно если необходимо обеспечить постоянство частоты и напряжения на выходе, а так же неизменность форм кривой переменного напряжения при изменении нагрузки преобразователя в случае высокого входного напряжения применяются мостовые усилители мощности. Положен в первый полупериод одновременно работают транзисторы Т1 и Т4. Во второй Т2, Т3. Напряжение прикладывается к первичной обмотке транзистора, причем её полярность меняется каждый полупериод.

Рис 27.

Напряжение на закрытом транзисторе равно напряжению исходного питания. Входной транзистор работает в насыщенном режиме, выполняется он из материала с непрямоугольной петлёй гистерезиса.

Преобразователи на тиристорах.

Тиристоры, в отличии от транзисторов, имеют одностороннее управление. Для запирания тиристоров в схемах преобразователей используются реактивные элементы, в основном в виде коммутирующих конденсаторов.

Рис 28.

При отпирании первого тиристора ёмкость заряжается до напряжения 2Uп. При отключении второго тиристора напряжение конденсатора прикладывается в обратном напряжении к первому тиристору, под действием его он запирается. Конденсатор перезаряжается, и напряжение на его обкладках и на первичной обмотке транзистор меняет знак (потенциалы показаны на схеме в скобках). В следующий полупериод вновь отпирается тиристор Т1 и процесс повторяется.

Для обеспечения запирания тиристоров необходимо, чтобы энергия коммутирующего конденсатора была достаточна для того, чтобы в процессе перезаряда обратное напряжение на тиристорах падало достаточно медленно и успело бы обеспечить восстановление их запирающих свойств.

Недостатком такого инвертора является сильная зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.

Рис 29.

Для уменьшения влияния характера и величины нагрузки на форму и величину выходного напряжения применяют схемы с обратными диодами, которые необходимы для возрастания реактивной энергии, накопленной в индуктивной нагрузке и реактивных коммутированных элементах в источник питания преобразователя.