Импульсные стабилизаторы напряжения построение и схемотехника

June 14, 2010 by admin Комментировать »

Благодаря высокому КПД импульсные стабилизаторы напря­жения получают в последнее время все более широкое распростра­нение, хотя они, как правило, сложнее и содержат большее число элементов. Поскольку в тепловую энергию преобразуется лишь ма­лая доля подводимой к импульсному стабилизатору энергии, его выходнью транзисторы меньше нагреваются, следовательно, за счет снижения площади теплоотводов снижаются масса и размеры устройства.

Ощутимым недостатком импульсных стабилизаторов явля­ется наличие на выходе вьюокочастотных пульсаций, что заметно сужает область их практического использования — чаще всего импульсные стабилизаторы используют для питания устройств на цифровых микросхемах.

Стабилизатор с выходным напряжением, меньшим входно­го, можно собрать на трех транзисторах (рис. 6.1), два из которых (VT1, VT2) образуют ключевой регулирующий элемент, а третий (VT3) является усилителем сигнала рассогласования [6.1].

clip_image002

Рис. 6.1. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД 84%

Устройство работает в автоколебательном режиме. Напря­жение положительной обратной связи с коллектора составного транзистора VT1 через конденсатор С2 поступает в цепь базы транзистора VT2.

Элементом сравнения и усилителем сигнала рассогласова­ния является каскад на транзисторе VT3. Его эмиттер подключен к источнику опорного напряжения — стабилитрону VD2, а база — к делителю выходного напряжения R5 — R7.

В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент ра­ботает в ключевом режиме, поэтому выходное напряжение регулируется изменением скважности работы ключа. Включени­ем/выключением транзистора VT1 по сигналу транзистора VT3 управляет транзистор VT2. В моменты, когда транзистор VT1 от­крыт, в дросселе L1, благодаря протеканию тока нагрузки, запа­сается электромагнитная энергия. После закрывания транзистора запасенная энергия через диод VD1 отдается в нагрузку. Пульса­ции выходного напряжения стабилизатора сглаживаются фильт­ром L1, СЗ.

Характеристики стабилизатора целиком определяются свой­ствами транзистора VT1 и диода VD1, бьютродействие которых должно быть максимальным. При входном напряжении 24 В, вы­ходном — 15 Б и токе нагрузки 1 А измеренное значение КПД было равно 84%.

Дроссель L1 имеет 100 витков провода диаметром 0,63 мм на кольце К26х16х12 из феррита с магнитной проницаемостью 100. Его индуктивность при токе подмагничивания 1 А — око­ло 1 мГн.

Схема простого импульсного стабилизатора показана на рис. 6.2 [6.2]. Дроссели L1 и L2 намотаны на пластмассовых кар­касах, помещенных в броневые магнитопроводы Б22 из феррита М2000НМ. Дроссель L1 содержит 18 витков жгута из 7 проводов ПЭВ-1 0,35. Между чашками его магнитопровода вложена про­кладка толщиной 0,8 мм. Активное сопротивление обмотки дрос­селя L1 27 мОм. Дроссель L2 имеет 9 витков жгута из 10 проводов ПЭВ-1 0,35. Зазор между его чашками — 0,2 мм, актив­ное сопротивление обмотки — 13 мОм. Прокладки можно изгото­вить из жесткого теплостойкого материала — текстолита, слюды, электрокартона. Винт, скрепляющий чашки магнитопровода, дол­жен быть из немагнитного материала.

Для налаживания стабилизатора к его выходу подключают нагрузку сопротивлением 5…7 Ом и мощностью 10 Вт. Подбором резистора R7 устанавливают номинальное выходное напряжение, затем увеличивают ток нагрузки до 3 /4 и, подбирая величину кон­денсатора С4, устанавливают такую частоту генерации (примерно

clip_image004

Рис. 6.2. Схема простого ключевого стабилизатора напряжения с КПД 60%

18…20 кГц), при которой высокочастотные выбросы напряжения на конденсаторе СЗ минимальны.

Выходное напряжение стабилизатора можно довести до 8… 10 Б, увеличив величину резистора R7 и установив новое зна­чение рабочей частоты. При этом мощность, рассеиваемая на транзисторе VT3, также увеличится.

В схемах импульсных стабилизаторов желательно ис­пользовать электролитические конденсаторы К52-1. Необходи­мую величину емкости получают параллельным включением конденсаторов.

Основные технические характеристики:

Входное напряжение, Б— 15…25. Выходное напряжение, Б — 5. Максимальный ток нагрузки, А — 4.

Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 4 А во всем диапазоне входных напряжений, мБ, не более — 50.

КПД, %, не ниже — 60.

Рабочая частота при входном напряжении 20 Б и токе нагрузки 3 А, кГц —-20.

В сравнении с предыдущим вариантом импульсного стаби­лизатора [6.2] в новой ^конструкции А. А. Миронова (рис. 6.3) усовершенствованы и улучшены такие его характеристики, как КПД, стабильность выходного напряжения, длительность и ха­рактер переходного процесса при воздействии импульсной на­грузки [6.3].

clip_image006

Рис. 6.3. Схема импульсного стабилизатора напряжения

Оказалось, что при работе прототипа (рис. 6.2) возникает так называемый сквозной ток через составной ключевой транзи­стор. Этот ток появляется в те моменты, когда по сигналу узла сравнения ключевой транзистор открывается, а коммутирующий диод еще не успел закрыться. Наличие такого тока вызывает дополнительнью потери на нагревание транзистора и диода и уменьшает КПД устройства.

Еще один недостаток — значительная пульсация выходного напряжения при токе нагрузки, близком к предельному. Для борьбы с пульсациями в стабилизатор (рис. 6.2) был введен до­полнительный выходной LC-фильтр (L2, 05). Уменьшить неста­бильность выходного напряжения от изменения тока нагрузки можно только уменьшением активного сопротивления дросселя L2. Улучшение динамики переходного процесса (в частности, уменьшение его длительности) связано с необходимостью умень­шения индуктивности дросселя, но при этом неизбежно увеличит­ся пульсация выходного напряжения.

Поэтому оказалось целесообразным исключить этот выход­ной фильтр, а емкость конденсатора 02 увеличить в 5… 10 раз (па­раллельным соединением нескольких конденсаторов в батарею)..

Цепь R2, 02 в исходном стабилизаторе (рис. 6.2) практиче­ски не изменяет длительности спада выходного тока, поэтому ее можно удалить (замкнуть резистор R2), а сопротивление резисто­ра R3 увеличить до 820 Ом. Но тогда при увеличении входного напряжения с 15 Б до 25 Б ток, протекающий через резистор R3 (в исходном устройстве), будет увеличиваться в 1,7 раза, а мощ­ность рассеивания — в 3 раза (до 0,7 Вт). Подключением нижне­го по схеме вывода резистора R3 (на схеме доработанного стабилизатора это резистор R2) к плюсовому выводу конденсато­ра С2 этот эффект можно ослабить, но при этом сопротивление R2 (рис. 6.3) должно быть уменьшено до 620 Ом.

Один из эффективных путей борьбы со сквозным током — увеличение времени нарастания тока через открывшийся ключе­вой транзистор. Тогда при полном открывании транзистора ток через диод VD1 уменьшится почти до нуля. Этого можно достиг­нуть, если форма тока через ключевой транзистор будет близка к треугольной. Как показывает расчет, для получения такой формы тока индуктивность накопительного дросселя L1 не должна пре­вышать 30 мкГч.

Еще один путь — применение более быстродействующего коммутирующего диода VD1, например, КД219Б (с барьером Шотки). У таких диодов выше бьютродействие и меньше падение напряжения при одном и том же значении прямого тока по сравне­нию с обычными кремниевыми высокочастотными диодами. Кон­денсатор 02 типа К52-1.

Улучшение параметров устройства может быть получено и при изменении режима работы ключевого транзистора. Особен­ность работы мощного транзистора VT3 в исходном и улучшен­ном стабилизаторах состоит в том, что он работает в активном режиме, а не в насыщенном, и поэтому имеет вьюокое значение коэффициента передачи тока и бьютро закрывается. Однако из-за повышенного напряжения на нем в открытом состоянии рас­сеиваемая мощность в 1,5…2 раза превышает минимально дос­тижимое значение.

Уменьшить напряжение на ключевом транзисторе можно подачей положительного (относительно плюсового провода пита­ния) напряжения смещения на эмиттер транзистора VT2 (см. рис. 6.3). Необходимую величину напряжения смещения подби­рают при налаживании стабилизатора. Если он питается от вы­прямителя, подключенного к сетевому трансформатору, то для получения напряжения смещения можно предусмотреть отдель­ную обмотку на трансформаторе. Однако при этом напряжение смещения будет изменяться вместе с сетевым.

Для получения стабильного напряжения смещения стаби­лизатор надо доработать (рис. 6.4), а дроссель превратить в трансформатор Т1, намотав дополнительную обмотку II. Когда ключевой транзистор закрыт, а диод VD1 открыт, напряжение на обмотке I определяется из выражения: U1=UBb,x+UvDi- Поскольку напряжение на выходе и на диоде в это время меняется незна­чительно, то независимо от значения входного напряжения на обмотке II напряжение практически стабильно. После выпрямле­ния его подают на эмиттер транзистора VT2 (и VT1).

clip_image008

Рис. 6.4. Схема модифицированного импульсного стабилизато­ра напряжения

Потери на нагрев снизились в первом варианте доработан­ного стабилизатора на 14,7%, а во втором — на 24,2%, что позво­ляет им работать при токе нагрузки до 4 у4 без установки ключевого транзистора на теплоотвод.

В стабилизаторе варианта 1 (рис. 6.3) дроссель L1 содер­жит 11 витков, намотанных жгутом из восьми проводов ПЭВ-1 0,35. Обмотку помещают в броневой магнитопровод Б22 из фер­рита 2000НМ. Между чашками нужно заложить прокладку из тек­столита толщиной 0,25 мм. В стабилизаторе варианта 2 (рис. 6.4) трансформатор Т1 образован намоткой поверх катушки дроссе­ля L1 двух витков провода ПЭВ-1 0,35. Вместо германиевого диода Д310 можно использовать кремниевый, например, КД212А или КД212Б, при этом число витков обмотки II нужно увеличить до трех.

Стабилизатор с широтно-импульсным управлением (рис. 6.5) [6.4] по принципу действия близок к стабилизатору, описанному в [6.2], но, в отличие от него, имеет две цепи обратной связи, соеди­ненные таким образом, что ключевой элемент закрывается при превышении напряжения на нагрузке или увеличении тока, потреб­ляемого нагрузкой.

При подаче питания на вход устройства ток, текущий через резистор R3, открывает ключевой элемент, образованный транзи­сторами VT.1, VT2, в результате чего в цепи транзистор. VT1 — дроссель L1 — нагрузка — резистор R9 возникает ток. Происхо­дит заряд конденсатора С4 и накопление энергии дросселем L1. Если сопротивление нагрузки достаточно большое, то напряже­ние на ней достигает 12 Б, и стабилитрон VD4 открывается. Это приводит к открыванию транзисторов VT5, VT3 и закрыванию ключевого элемента, а благодаря наличию диода VD3 дроссель L1 отдает накопленную энергию нагрузке.

clip_image010

Рис. 6.5. Схема стабилизатора с широтно-импульсным управлением с КПД до 89%

Технические характеристики стабилизатора:

Входное напряжение — 15…25 Б. Выходное напряжение — 12 Б. Номинальный ток загрузки — 1 А.

Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки \ А — 0,2 Б. тЦ (при изх=18 Б, 1н=1 А) — 89%.

Потребляемый ток при Ubx=18 Б в режиме замыкания цепи на­грузки — 0,4 у4.

Выходной ток короткого замыкания (при Ubx=18 Б) — 2,5 А.

По мере уменьшения тока через дроссель и разряда конден­сатора С4 напряжение на нагрузке также уменьшится, что приве­дет к закрыванию транзисторов VT5, VT3 и открыванию ключевого элемента. Далее процесс работы стабилизатора повторяется.

Конденсатор СЗ, снижающий частоту колебательного про­цесса, повышает эффективность стабилизатора.

При малом сопротивлении нагрузки колебательный процесс в стабилизаторе происходит иначе. Нарастание тока нагрузки приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R9, от­крыванию транзистора VT4 и закрыванию ключевого элемента. Далее процесс протекает аналогично описанному выше. Диоды VD1 и VD2 способствуют более резкому переходу устройства из режима стабилизации напряжения в режим ограничения тока.

Во всех режимах работы стабилизатора потребляемый им ток меньше тока нагрузки.

Транзистор VT1 следует установить на теплоотводе разме­рами 40×25 мм.

Дроссель L1 представляет собой 20 витков жгута из трех проводов ПЭВ-2 0,47, помещенных в чашечный магнитопровод Б22 из феррита 1500НМЗ. Магнитопровод имеет зазор толщиной 0,5 мм из немагнитного материала.

Стабилизатор несложно перестроить на другое выходное напряжение и ток нагрузки. Выходное напряжение устанавлива­ют выбором типа стабилитрона VD4, а максимальный ток нагруз­ки — пропорциональным изменением сопротивления резистора R9 или подачей на базу транзистора VT4 небольшого тока от от­дельного параметрического стабилизатора через переменный резистор.

Для снижения уровня пульсаций выходного напряжения целесообразно применить LC-фильтр, аналогичный используе­мому в схеме на рис. 6.2.

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6.6) состоит из узла запуска (R3, VD1, VT1, VD2), источника опорного напря­жения и устройства сравнения (DD1.1, R1), усилителя постоянно­го тока (VT2, DD1.2, VT5), транзисторного ключа (VT3, VT4), индуктивного накопителя энергии с коммутирующим диодом (VD3, L2) и фильтров — входного (L1, С1, С2) и выходного (С4,

clip_image012

DDI К155ЛАЗ

Рис. 6.6. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД преобразования 69…72%

clip_image014

Рис. 6.7. Схема импульсного стабилизатора напряжения с малы­ми пульсациями

С5, L3, С6) [6.5]. Частота переключения индуктивного накопите­ля энергии в зависимости от тока нагрузки находится в преде­лах 1,3…48 кГц.

Все катушки индуктивности L1 — L3 одинаковы и намотаны в броневых магнитопроводах Б20 из феррита 2000НМ с зазором между чашками около 0,2 мм. Обмотки содержат по 20 витков жгута из четырех проводов ПЭВ-2 0,41. Можно применить также кольцевые ферритовые магнитопроводы с зазором.

Номинальное выходное напряжение 5 В при изменении входного от 8 до 60 Б и КПД преобразования 69…72%. Коэффи­циент стабилизации — 500. Амплитуда пульсаций выходного на­пряжения при токе нагрузки 0,7 А — не более 5 мВ. Выходное сопротивление — 20 мОм. Максимальный ток нагрузки (без теп-лоотводов для транзистора VT4 и диода VD3) — 2 А.

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6.7) при вход­ном напряжении 20…25 Б обеспечивает на выходе стабильное на­пряжение 12 Б при токе нагрузки 1,2 А [6.6]. Пульсации на выходе до 2 мВ. Благодаря высокому КПД в устройстве не используются теплоотводы. Индуктивность дросселя L1 — 470 мкГч.

Аналоги транзисторов: ВС547 — КТ3102А; ВС548В — КТ3102В. Приблизительные аналоги транзисторов ВС807 — КТ3107; BD244 — КТ816.

1 комментарий

  1. Казбек says:

    Весьма полезная статья. Переходим на импульсники.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты