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 Uоп. Разностный сигнал рассогласования Up, 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 Uф (см. рис. 2.).
Среднее значение этого напряжения Uфо зависит от соотношения времен замкнутого tз и разомкнутого tp состояния ключа РЭ и определяется формулой: Uфо=Uвх(tз/(tз+tp)=Uвхtз/Т=Uвхtзf=Uвх/Q, где Т=tз+tp-период; f-частота переключения ключевого элемента; Q=T/tр-скважность последовательности импульсов.
Изменение параметров tз и f можно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключевым элементом РЭ.
Наибольшее распространение получили стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией, когда изменяется длительность управляющих импульсов tз (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:
Uн=(1/T)òtн0 i(t)Rнdt где tн - 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: iL=IL(0)+(Uвх-Uвых)t/L где iL(0)-ток, проходящий через катушку в момент отпирания транзистора.
В момент времени t=t1 ,транзистор закрывается(т.е. ключ размыкается). Ток iL(t1) убывает также по линейному закону, протекая через открытый диод: iL=iL(t1)-Uвыхt/L
Затем в момент времени t2 снова замыкается ключ (открывается транзистор) и ток iL начинает увеличиваться по линейному закону. Цикл повторяется.
Режим работы стабилизатора при iL(t2) >0 называют режимом непрерывного тока.
В этом случае выражение для определения пульсаций тока, протекающего через катушку индуктивности можно записать так: DiL=(Uвх-Uвых)(t2-t1)/2L=(Uвх-Uвых)tзамк/2L
Пульсацию выходного напряжения DUвых 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 iL0;напряжение на конденсаторе Uc увеличивается. При уменьшении iL относительно IL0 напряжение Uc также уменьшается.
|
|
Таким образом, можно записать уравнение баланса электрических зарядов в цепи катушки индуктивности и конденсатора.
DiL/2*T/2=2DUвыхС (*) где Т-период переключения силового транзистора,Diw/2-среднее значение пульсаций тока за половину периода, т.е. Т/2; 2DUвых - изменение напряжения на конденсаторе за половину периода.
Из выражения (*) следует: DUвых=DiLT/8C=(Uвх-Uвых)tзамк/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! |
Мы поможем в написании ваших работ!