Импульсные стабилизаторы: Импульсный стабилизатор напряжения — принцип действия

Разное

Содержание

Импульсный стабилизатор напряжения — принцип действия

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:

  • 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.

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:

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.

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.

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.

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.

Недостатки прибора:

  • 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.

Импульсный стабилизатор напряжения — Википедия

И́мпульсный стабилиза́тор напряже́ния (ключево́й стабилизатор напряжения, используются также названия импульсный преобразователь, импульсный источник питания) — стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент (ключ) работает в импульсном режиме[1], то есть регулирующий элемент периодически открывается и закрывается.

Энергия первичного источника питания передаётся через регулирующий элемент определёнными порциями, заданными контуром регулирования так, чтобы стабильным было среднее значение выходного напряжения. Сглаживание пульсаций выходного напряжения происходит благодаря наличию элемента (или сочетания элементов), способного накапливать электрическую энергию и отдавать её в нагрузку.

Импульсный стабилизатор напряжения по сравнению с линейным стабилизатором имеет меньшие потери энергии на нагрев регулирующего элемента, что повышает КПД стабилизатора и позволяет применять регулирующий элемент меньшей мощности, а радиатор меньших размеров и веса.

Сравнение с линейным стабилизатором

Преимущества:

  • высокий КПД, особенно при работе в большом диапазоне входных напряжений[2];
  • малые габариты и масса (высокая удельная мощность)[2];
  • принципиальная возможность гальванической развязки входных и выходных цепей, при работе от промышленной сети переменного тока не требуется использование имеющего большие габариты и вес трансформатора, рассчитанного на частоту 50/60 Гц[2].

Недостатки:

  • импульсные помехи во входных и выходных цепях[2] — как дифференциальные (противофазные), так и помехи общего вида (синфазные помехи)[3][4];
  • более высокая нестабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения или тока нагрузки[2];
  • более длительные переходные процессы (большее время восстановления выходного напряжения после скачкообразного изменения входного напряжения или тока нагрузки)[2];
  • входное отрицательное дифференциальное сопротивление — входной ток увеличивается при уменьшении входного напряжения; если импеданс первичного источника напряжения (включая входные вспомогательные цепи самого импульсного преобразователя) выше отрицательного импеданса импульсного преобразователя, то возникают автоколебания с нарушением работоспособности и возможным повреждением стабилизатора[4][5][6].

Функциональные схемы по типу цепи управления

Импульсный стабилизатор напряжения представляет собой систему автоматического регулирования. Задающим параметром для контура регулирования служит опорное напряжение, которое сравнивается с выходным напряжением стабилизатора. В зависимости от сигнала рассогласования устройство управления изменяет соотношение длительностей открытого и закрытого состояния ключа.

В представленных ниже структурных схемах можно выделить три функциональных узла: ключ (1), накопитель энергии (2) (который иногда называют фильтром[7]) и цепь управления. При этом ключ (1) и накопитель энергии (2) вместе образуют силовую часть[8] стабилизатора напряжения[⇨], которая вместе с цепью управления образуют контур регулирования. По типу цепи управления различают три схемы.

С триггером Шмитта

Стабилизатор напряжения с триггером Шмитта называется также релейным или стабилизатором с двухпозиционным регулированием[9]. В нём выходное напряжение сравнивается с нижним и верхним порогами срабатывания триггера Шмитта (4 и 3) посредством компаратора (4), который обычно является входной частью триггера Шмитта. При замкнутом ключе (1) входное напряжение поступает на накопитель энергии (2), выходное напряжение нарастает, и после достижения верхнего порога срабатывания Umax триггер Шмитта переключается в состояние, размыкающее ключ (1). Накопленная энергия расходуется в нагрузке, при этом напряжение на выходе стабилизатора спадает, и после достижения нижнего порога срабатывания Umin триггер Шмитта переключается в состояние, замыкающее ключ. Далее описанный процесс периодически повторяется. В результате на выходе образуется пульсирующее напряжение, размах пульсаций которого зависит от разности порогов срабатывания триггера Шмитта.

Такой стабилизатор характеризуются сравнительно большой, принципиально неустранимой пульсацией напряжения на нагрузке и переменной частотой преобразования, зависящей как от входного напряжения, так и от тока нагрузки[10].

С широтно-импульсной модуляцией

Структурная схема стабилизатора напряжения с ШИМ

Как и в предыдущей схеме, в процессе работы накопитель энергии (2) или подключён к входному напряжению, или передаёт накопленную энергию в нагрузку. В результате на выходе имеется некоторое среднее значение напряжения, которое зависит от входного напряжения и скважности[11] импульсов управления ключом (1). Вычитатель-усилитель на операционном усилителе (4) сравнивает выходное напряжение с опорным напряжением (6) и усиливает разность, которая поступает на модулятор (3). Если выходное напряжение меньше опорного, то модулятор увеличивает отношение времени открытого состояния ключа к периоду тактового генератора (5). При изменении входного напряжения или тока нагрузки скважность импульсов управления ключом изменяется таким образом, чтобы обеспечить минимальную разность между выходным и опорным напряжением.

В таком стабилизаторе частота преобразования не зависит от входного напряжения и тока нагрузки и определяется частотой тактового генератора[10].

С частотно-импульсной модуляцией

При этом способе управления импульс, открывающий ключ, имеет постоянную длительность, а частота следования импульсов зависит от сигнала рассогласования между опорным и выходным напряжениями. При увеличении тока нагрузки или снижении входного напряжения частота увеличивается. Управление ключом может осуществляться, например, с помощью моностабильного мультивибратора (одновибратора) с управляемой частотой запуска.

Основные схемы силовой части

Данный раздел имеет чрезмерный объём или содержит маловажные подробности.

Если вы не согласны с этим, пожалуйста, покажите в тексте существенность излагаемого материала. В противном случае раздел может быть удалён. Подробности могут быть на странице обсуждения.

По схеме силовой части импульсные стабилизаторы делят обычно на три основных типа: понижающие, повышающие и инвертирующие[8]. Такое разделение сложилось, в частности, в отечественной технической литературе[12].

Некоторые авторы, рассматривая схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения во всём их многообразии, показывают, что число элементарных базовых схем преобразователя можно свести к двум[13] — понижающего типа и повышающего типа. Также отмечается, что другие схемы импульсного преобразователя напряжения (в том числе инвертирующего преобразователя[14]) могут быть получены каскадным соединением этих двух базовых схем[15][неавторитетный источник?][16].

В нижеприведённых схемах в качестве ключа S могут использоваться полевой транзистор, биполярный транзистор или тиристор, цепь управления ключом для простоты не показана. Отношение времени замкнутого состояния ключа к сумме длительностей замкнутого и разомкнутого состояний называют коэффициентом заполнения (или рабочим циклом — англ. duty cycle)[2].

Преобразователь с понижением напряжения

Преобразователь с понижением напряжения

Названия в англоязычной литературе — buck converter (step-down converter). Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диод D, при этом величина тока уменьшается. При достаточной индуктивности ток дросселя не успевает уменьшиться до нуля к началу следующего цикла (режим неразрывных токов) и имеет пульсирующий характер. Поэтому даже при отсутствии конденсатора C напряжение на нагрузке R будет иметь такой же характер с пульсациями, размах которых тем меньше, чем больше индуктивность дросселя. Однако, на практике увеличение индуктивности связано с увеличением габаритов, массы и стоимости дросселя и потерь мощности в нём, поэтому использование конденсатора для уменьшения пульсаций более эффективно. Сочетание элементов L и C в этой схеме часто называют фильтром[10][17].

Преобразователь с повышением напряжения

Преобразователь с повышением напряжения

Названия в англоязычной литературе — boost converter (step-up converter). Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диод D и конденсатор C (заряжая его). К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузке R напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора. В отличие от предыдущей схемы, здесь дроссель не является элементом фильтра. Напряжение на нагрузке всегда больше напряжения источника[10][18].

Инвертирующий преобразователь

Инвертирующий преобразователь

Название в англоязычной литературе — buck-boost converter (то есть «понижающе-повышающий преобразователь»). Основное отличие от предыдущей схемы состоит в том, что цепь D, R, C подключена параллельно дросселю, а не параллельно ключу. Принцип работы схемы похожий. Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через конденсатор C (заряжая его) и диод D. К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузке R напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора (дроссель не является элементом фильтра). Напряжение на нагрузке может быть как больше, так и меньше напряжения источника[10][19].

Влияние диода на КПД

Прямое падение напряжения для обычных кремниевых диодов составляет около 0,7 В, для диодов Шоттки — около 0,4 В. Мощность, рассеиваемая в диоде при больших токах, существенно снижает КПД, особенно в стабилизаторах с низким выходным напряжением. Поэтому в таких стабилизаторах диод часто заменяют дополнительным полупроводниковым ключом с низким падением напряжения в открытом состоянии, например, силовым полевым транзистором.

Во всех трёх описанных схемах диод D может быть заменён на дополнительный ключ[20], замыкаемый и размыкаемый в противофазе к основному ключу.

Гальваническая развязка

Если требуется гальваническая развязка входных и выходных цепей импульсного стабилизатора — например, по требованиям электробезопасности при использовании промышленной сети переменного тока в качестве первичного источника питания — можно применить разделительный трансформатор в рассмотренных выше основных схемах. Использование высокочастотного трансформатора в схеме преобразователя с понижением напряжения приводит к схеме однотактного или двухтактного прямоходового преобразователя (англ. forward converter). Замена дросселя в схеме инвертирующего преобразователя на дроссель с двумя или более обмотками приводит[21] к схеме обратноходового преобразователя (англ. flyback converter).

Некоторые особенности импульсных преобразователей с гальванической развязкой входа от выхода:

  • Благодаря высокой рабочей частоте преобразования (от 20 кГц до 1 МГц[2]) габаритные размеры развязывающего трансформатора или многообмоточного дросселя значительно меньше, чем трансформатора для частоты 50 Гц.
  • В цепи управления применяется либо оптрон, либо отдельная обмотка в трансформаторе (или дросселе), либо специальный трансформатор.

Особенности использования

Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкой
A — входной выпрямительный мост и фильтр помех.
B — конденсаторы входного фильтра, правее — радиатор высоковольтных транзисторов.
C — трансформатор, правее — радиатор низковольтных диодов.
D — выходной дроссель.
E — конденсаторы выходного фильтра.
Ниже E — дроссель и конденсатор входного фильтра на сетевом разъёме.

Фильтрация импульсных помех

Импульсный стабилизатор напряжения является источником высокочастотных помех в связи с тем, что содержит ключи, коммутирующие ток[22]. Поэтому в моменты коммутации возникают довольно значительные броски напряжения и тока, порождающие помехи как на входе, так и на выходе стабилизатора, причём помехи и противофазные, и синфазные[3]. Фильтры для подавления помех устанавливаются как на входе, так и на выходе стабилизатора.

Для снижения помех можно производить коммутацию ключа в моменты, когда через ключ нет тока при размыкании, или на ключе нулевое напряжение при замыкании. Этот приём используют в так называемых резонансных преобразователях, которые также имеют свои недостатки[23][24].

Входное сопротивление

Импульсный стабилизатор напряжения под нагрузкой имеет входное отрицательное дифференциальное сопротивление — при повышении входного напряжения входной ток уменьшается, и наоборот. Это следует учитывать для сохранения устойчивости работы импульсного стабилизатора напряжения от источника с повышенным внутренним сопротивлением[4][6].

Использование в сетях переменного тока

Рассмотренные выше импульсные стабилизаторы (преобразователи) напряжения преобразуют постоянный ток на входе в постоянный ток на выходе. Для питания устройств от электрической сети переменного тока на входе устанавливается выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Это предполагает наличие некоторого количества элементов, установленных до развязывающего трансформатора, а значит, гальванически связанных с входными цепями. Такие элементы обычно выделяются на платах либо штриховкой, либо чертой на слое сеткографической маркировки, или даже особой окраской, которая предупреждает человека о потенциальной опасности прикосновения к ним. Импульсные блоки питания в составе других приборов (телевизоров, компьютеров) закрываются защитными крышками, снабжёнными предупреждающими надписями. Если при ремонте импульсного блока питания необходимо включить его со снятой крышкой, рекомендуется включать его через развязывающий трансформатор или УЗО.

Часто помехоподавляющие фильтры на входе импульсных блоков питания соединяются с корпусом прибора. Это делается в том случае, если предполагается подключение защитного заземления корпуса. Если защитным заземлением пренебрегли, то на корпусе прибора образуется потенциал относительно земли, равный половине сетевого напряжения. Конденсаторы фильтров, как правило, имеют небольшую ёмкость, поэтому прикосновение к корпусу такого прибора неопасно для человека, но одновременное прикосновение чувствительными частями тела к заземленным приборам и к незаземленному корпусу ощутимо (говорят, что прибор «кусается»). Кроме того потенциал на корпусе может быть опасен для самого прибора.

См. также

Примечания

  1. ↑ ГОСТ Р 52907-2008. docs.cntd.ru. Проверено 2 февраля 2018.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. — М. : Додэка, 1997. — С. 15—16. — 224 с. — ISBN 587835-0010-6
  3. 1 2 Электромагнитная совместимость в электроэнергетике (рус.). lib.rosenergoservis.ru. Проверено 19 августа 2017.
  4. 1 2 3 Жданкин В. Подавление электромагнитных помех во входных цепях преобразователей постоянного напряжения
  5. ↑ Севернс и Блум, 1988, с. 218.
  6. 1 2 Sokal, Nathan O. (1973). «System oscillations from negative input resistance at power input port of switching-mode regulator, amplifier, DC/DC converter, or DC/DC inverter»: 138–140. DOI:10.1109/PESC.1973.7065180. (англ.)
  7. Титце У. Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Мир, 1982. — С. 271.
  8. 1 2 Импульсные стабилизаторы. Studopedia.org. Проверено 6 января 2018.
  9. Китаев В. В. Электропитание устройств связи. — : Связь, 1975. — С. 196—207. — 328 с. — 24 000 экз.
  10. 1 2 3 4 5 8.4. Импульсные стабилизаторы. riostat.ru. Проверено 16 августа 2017.
  11. ↑ В расчётах стабилизатора обычно используется величина, обратная скважности — коэффициент заполнения.
  12. ↑ Семенов, 2006.
  13. ↑ Севернс и Блум, 1988, с. 9—14.
  14. ↑ Хотя тут же (С. 139) Севернс и Блум отмечают, что многими специалистами схема инвертирующего преобразователя рассматривается как третья элементарная преобразовательная ячейка.
  15. ↑ Севернс и Блум, 1988, с. 138—139.
  16. Поликарпов А. Г., Сергиенко Е. Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. — М.: Радио и связь, 1989. — С. 6—7. — 160 с. — ISBN 5-256-00213-9
  17. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Понижающий преобразователь — Стр. 128
  18. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Повышающий преобразователь — Стр. 129
  19. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Инвертирующий повышающий преобразователь — Стр. 130
  20. ↑ Как, например, в микросхеме TPS54616
  21. ↑ The Flyback Converter — Lecture notes — ECEN4517 — Department of Electrical and Computer Engineering — University of Colorado, Boulder.
  22. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Первичный источник питания — Подавление радиопомех — Стр. 147
  23. ↑ Источники питания — Раздел 16. Импульсные источники питания — Схемы управления — Резонансные контроллеры, стр. 145 //issh.ru
  24. ↑ Авторская страница Б. Ю. Семенова

Литература

Ссылки

Устройство, принцип работы импульсного стабилизатора. Видео.



Из этой статьи вы узнаете о:

  1. Принципе работы импульсных стабилизационных приборов
  2. Приборе, который использует ШИМ
  3. Приборе, который имеет триггер Шмитта
  4. Схеме самого стабилизационного устройства
  5. Преимуществах
  6. А также недостатках
  7. Сферах применения
  8. Особенностях внешнего вида
  9. Самых важных характеристиках импульсных стабилизаторов

Каждый из нас в своей жизни использует большое количество различных электроприборов. Очень большое их число нуждается в низковольтном питании. Другими словами они потребляют электроэнергию, которая не характеризуется напряжением в 220 вольт, а должна иметь от одного до 25-ти вольт.

Конечно, для подачи электроэнергии с таким количеством вольт используются специальные приборы. Однако, проблема возникает не в понижении напряжения, а в соблюдении ее стабильного уровня.

Для этого можно воспользоваться линейными стабилизационными устройствами. Однако такое решение будет очень громоздким удовольствием. Данную задачу идеально выполнит любой импульсный стабилизатор напряжения.

Разобранный импульсный стабилизатор

Если сравнивать импульсные и линейные стабилизационные приборы, то главное их отличие заключается в работе регулирующего элемента. В первом типе приборов этот элемент работает как ключ. Другими словами он находится или в замкнутом, или в разомкнутом состоянии.

Главными элементами импульсных стабилизационных устройств являются регулирующий и интегрирующий элементы. Первый обеспечивает подачу и прерывания подачи электрического тока. Задачей второго является накопление электроэнергии и постепенная ее отдача в нагрузку.

Принцип работы импульсных преобразователей

Принцип работы импульсного стабилизатора

Главный принцип работы заключается в том, что при замыкании регулирующего элемента электроэнергия накапливается в интегрирующем элементе. Это накопление наблюдается повышением напряжения. После того, когда регулирующий элемент отключается, т.е. размыкает линию подачи электричества, интегрирующий компонент отдает электричество, постепенно снижая величину напряжения. Благодаря такому способу работы импульсное стабилизационное устройство не тратит большого количества энергии и может иметь небольшие габариты.

Регулирующий элемент может представлять собой тиристор, биполярный транзитор или полевой транзистор. В качестве интегрирующих элементов могут использоваться дроссели, аккумуляторы или конденсаторы.

Заметим, что импульсные стабилизационные устройства могут работать двумя различными способами. Первый предполагает использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Второй — триггера Шмитта. Как ШИМ, так и триггер Шмитта используются для управления ключами стабилизационного устройства.

Стабилизатор с использованием ШИМ



Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, который работает на основе ШИМ, кроме ключа и интегратора в своем составе имеет:

  1. генератор;
  2. операционный усилитель;
  3. модулятор

Работа ключа напрямую зависит от уровня напряжения на входе и скважности импульсов. Влияние на последнюю характеристику осуществляют частота генератора и емкость интегратора. Когда ключ размыкается, начинается процесс отдачи электричества из интегратора в нагрузку.

Принципиальная схема стабилизатора ШИМ

При этом операционный усилитель сравнивает уровни выходного напряжения и напряжения сравнения, определяет разницу и передает необходимую величину усиления на модулятор. Этот модулятор осуществляет преобразование импульсов, которые выдает генератор, на прямоугольные импульсы.

Конечные импульсы характеризуются таким же отклонением скважности, которое пропорционально разности выходного напряжения и напряжения сравнения. Именно эти импульсы и определяют поведение ключа.

То есть при определенной скважности ключ может замыкаться, или размыкаться. Получается, что главную роль в этих стабилизаторах играют импульсы. Собственно от этого и пошло название этих устройств.

Преобразователь с триггером Шмитта

В тех импульсных стабилизационных приборах, которые используют триггер Шмитта, уже нет такого большого количества компонентов, как в предыдущем типе устройства. Здесь главным элементом является триггер Шмитта, в состав которого входит компаратор. Задачей компаратора является сравнение уровня напряжения на выходе и максимально допустимого ее уровня.

Стабилизатор с триггером Шмитта

Когда напряжение на выходе превысило свой максимальный уровень, триггер переключается в нулевую позицию и приводит к размыканию ключа. В это время дроссель или конденсатор разряжаются. Конечно, за характеристиками электрического тока постоянно следит вышеупомянутый компаратор.

И тогда, когда напряжение падает ниже требуемого уровня, фаза «0» меняется на фазу «1». Далее ключ замыкается, и электрический ток поступает в интегратор.

Преимуществом такого импульсного стабилизатора напряжения является то, что его схема и конструкция являются достаточно простыми. Однако он не может применяться во всех случаях.

Стоит отметить, что импульсные стабилизационные устройства могут работать только в отдельных направлениях. Здесь имеется в виду, что они могут быть как сугубо понижающими, так и сугубо повышающими. Также выделяют еще два типа таких приборов, а именно инвертирующий и устройство, которые могут произвольно изменять напряжение.

Схема снижающего импульсного стабилизационного прибора

В дальнейшем рассмотрим схему снижающего импульсного стабилизационного прибора. Он состоит из:

  1. Регулирующего транзистора или любого другого типа ключа.
  2. Катушки индуктивности.
  3. Конденсатора.
  4. Диода.
  5. Нагрузки.
  6. Устройства управления.

Узел, в котором будет накапливаться запас электроэнергии, состоит из самой катушки (дросселя) и конденсатора.

В то время, когда ключ (в нашем случае транзистор) подключен, ток движется к катушке и конденсатору. Диод находится в закрытом состоянии. То есть он не может пропускать ток.

За исходной энергией следит устройство управления, которое в нужный момент отключает ключ, то есть переводит его в состояние отсечки. Когда ключ находится в этом состоянии, происходит уменьшение тока, который проходит через дроссель.

Снижающий импульсный стабилизатор

При этом в дросселе меняется направление напряжения и результате ток получает напряжение, величина которого является разницей между электродвижущей силой самоиндукции катушки и количеством вольт на входе. В это время открывается диод и дроссель через него подает ток в нагрузку.

Когда запас электроэнергии исчерпывается, то происходит подключение ключа, закрытия диода и зарядка дросселя. То есть все повторяется.
Повышающий импульсный стабилизатор напряжения работает подобным образом, как и понижающий. Аналогичным алгоритмом работы характеризуется и инвертирующий стабилизационный прибор. Конечно, его работа имеет свои отличия.

Главное отличие импульсного повышающего устройства заключается в том, то в нем входное напряжение и напряжение катушки имеют одно и тот же направление. В результате они суммируются. В импульсном стабилизаторе сначала размещается дроссель, затем транзистор и диод.

В инвертирующем стабилизационном устройстве направление ЭДС самоиндукции катушки является таковым, как и в понижающем. В то время, когда подключается ключ и закрывается диод, питание обеспечивает конденсатор. Любой из таких приборов можно собрать собственноручно.

Полезный совет: вместо диодов можно использовать и ключи (тиристорные или транзисторные). Однако они должны выполнять операции, которые являются противоположными основном ключу. Другими словами, когда основной ключ закрывается, то ключ вместо диода должен открываться. И наоборот.

Выходя из вышеопределенного строения стабилизаторов напряжения с импульсным регулированием, можно определить те особенности, которые относятся к преимуществам, а которые к недостаткам.

Преимущества

Преимуществами этих устройств являются:

  1. Достаточно легкое достижение такой стабилизации, которая характеризуется очень высоким коэффициентом.
  2. КПД высокого уровня. Благодаря тому, что транзистор работает в алгоритме ключа, происходит малое рассеивание мощности. Это рассеяние значительно меньше, чем в линейных стабилизационных устройствах.
  3. Возможность выравнивания напряжения, которое на входе может колебаться в очень большом диапазоне. Если ток является постоянным, то этот диапазон может составлять от одного до 75-ти вольт. Если же ток является переменный, то этот диапазон может колебаться в пределах 90-260 вольт.
  4. Отсутствие чувствительности к частоте напряжения на входе и к качеству электропитания.
  5. Конечные параметры на выходе являются достаточно устойчивыми даже при условии, если происходят очень большие изменения в токе.
  6. Пульсация напряжения, которое выходит из импульсного устройства, всегда находится в пределах миливольтового диапазона и не зависит от того, какую мощность имеют подключенные электроприборы или их элементы.
  7. Стабилизатор включается всегда мягко. Это означает, что на выходе ток не характеризуется прыжками. Хотя надо отметить, при первом включении выброс тока является высоким. Однако для нивелирования этого явления применяются термисторы, которые имеют отрицательный ТКС.
  8. Малые величины массы и размеров.

Недостатки

  1. Если же говорить о недостатках этих стабилизационных приборов, то они кроются в сложности устройства. Из-за большого количества различных компонентов, которые могут выйти из строя довольно быстро, и специфического способа работы прибор не может похвастаться высоким уровнем надежности.
  2. Он постоянно сталкивается с высоким напряжением. Во время работы часто происходят переключения и наблюдаются сложные температурные условия для кристалла диода. Это однозначно влияет на пригодность к выпрямлению тока.
  3. Частое переключение коммутирующих ключей создает частотные помехи. Их число очень велико и это является негативным фактором.

Полезный совет: для устранения этого недостатка нужно воспользоваться специальными фильтрами.

  1. Их устанавливают как на входе, так и на выходе.В том случае, когда нужно сделать ремонт, то он также сопровождается сложностями. Здесь стоит отметить, что неспециалист поломку устранить не сможет.
  2. Ремонтные работы может осуществить тот, кто хорошо разбирается в таких преобразователях тока и имеет необходимое количество навыков. Иными словами, если такой прибор сгорел и его пользователь не имеет никаких знаний об особенностях прибора, то лучше отнести на ремонт в специализированные компании.
  3. Также для неспециалистов сложно настраивать импульсные стабилизаторы напряжения, в которые может входить 12 вольт или иное количество вольт.
  4. В том случае, если выйдет из строя тиристор или любой другой ключ, могут возникнуть очень сложные последствия на выходе.
  5. К минусам относится и потребность в использовании приборов, которые будут компенсировать коэффициент мощности. Также некоторые специалисты отмечают, что такие стабилизационные устройства стоят дорого и не могут похвастаться большим количеством моделей.

Сферы применения

Но, несмотря на это, такие стабилизаторы могут применяться в очень многих сферах. Однако наиболее употребляются они в радионавигационном оборудовании и электронике.

Кроме этого, их часто применяют для телевизоров с жидкокристаллическим дисплеем и жидкокристаллических мониторов, источников питания цифровых систем, а также для промышленного оборудования, которое нуждается в токе с низким количеством вольт.

Полезный совет: часто импульсные стабилизационные устройства используют в сетях с переменным током. Сами устройства превращают такой ток в постоянный и в том случае, если нужно подключить пользователей, нуждающихся в переменном токе, то на входе нужно подключить фильтр сглаживания и выпрямитель.

Стоит отметить, что любой низковольтный прибор требует использования таких стабилизаторов. Также их можно использовать для непосредственной подзарядки различных аккумуляторов и питания мощных светодиодов.

Внешний вид

Как уже отмечалось выше, преобразователи тока импульсного типа характеризуются небольшими размерами. В зависимости от того, на какой диапазон входных вольт они рассчитаны, зависит их размер и внешний вид.

Если они предназначены для работы с очень малой величиной входного напряжения, то они могут представлять собой малую пластмассовую коробку, от которой отходит определенное количество проводов.

Стабилизаторы, рассчитанные на большое количество входных вольт, представляют собой микросхему, в которой находятся все провода и к которой подключаются все компоненты. О них вы уже узнали.

Внешний вид этих стабилизационных устройств также зависит и от функционального назначения. Если они обеспечивают выход регулируемого (переменного) напряжения, то резиторный делитель размещают вне интегральной схемы. В том случае, если из прибора будет выходить фиксированное количество вольт, то этот делитель уже находится в самой микросхеме.

Важные характеристики

При подборе импульсного стабилизатора напряжения, который может выдавать постоянные 5в или иное количество вольт, обращают внимание на ряд характеристик.

Первой и самой важной характеристикой являются величины минимального и максимального напряжения, которое будет входить в сам стабилизатор. О верхних и нижних границах этой характеристики уже отмечалось.

Вторым важным параметром является наиболее высокий уровень тока на выходе.

Третьей важной характеристикой является номинальный уровень выходного напряжения. Иными словами спектр величин, в рамках которого оно может находиться. Стоит отметить, что многие эксперты утверждают, что максимальное входное и выходное напряжения равны.

Однако в реальности это не так. Причиной этого является то, что входные вольты уменьшаются на ключевом транзисторе. В результате на выходе получается несколько меньшее количество вольт. Равенство может быть только тогда, когда ток нагрузки являются очень малым. То же самое касается и минимальных значений.

Важной характеристикой любого импульсного преобразователя является точность напряжения на выходе.

Полезный совет: на этот показатель следует обращать внимание тогда, когда стабилизационное устройство обеспечивает выход фиксированного количества вольт.

Причиной этого является то, что резистор находится в середине преобразователя и точные его работы определяются в производства. Когда число выходных вольт регулируется пользователем, то регулируется и точность.



Настенный стабилизатор напряжения не займет полезного пространства в доме

Трехфазный стабилизатор напряжения — если в сети 380. Видео.

Стабилизатор «Лидер» — отличное качество по приемлемой цене. Видео.

Электромеханический стабилизатор напряжения пережиток прошлого или выгодное решение?

7 схем импульсных стабилизаторов напряжения на транзисторах

Схемы самодельных импульсных DC-DC преобразователей напряжения на транзисторах, семь примеров.

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 выходные транзисторы меньше нагреваются, следовательно, за счет снижения площади теплоотводов снижаются масса и размеры устройства.

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

Понижающий импульсный стабилизатор напряжения

Стабилизатор с выходным напряжением, меньшим входного, можно собрать на трех транзисторах (рис. 1), два из которых (VT1, VT2) образуют ключевой регулирующий элемент, а третий (ѴТЗ) является усилителем сигнала рассогласования.

Рис. 1. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД 84%.

Устройство работает в автоколебательном режиме. Напряжение положительной обратной связи с коллектора составного транзистора ѴТ1 через конденсатор С2 поступает в цепь базы транзистора ѴТ2.

Элементом сравнения и усилителем сигнала рассогласования является каскад на транзисторе ѴТЗ. 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 ѴТЗ управляет транзистор ѴТ2. В моменты, когда транзистор ѴТ1 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, C3.

Характеристики стабилизатора целиком определяются свойствами транзистора ѴТ1 и диода VD1, быстродействие которых должно быть максимальным. При входном напряжении 24 В, выходном — 15 В 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.

Step-down DC-DC преобразователь напряжения на +5В

Схема простого импульсного стабилизатора показана на рис. 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.

Рис. 2. Схема простого ключевого стабилизатора напряжения с КПД 60%.

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 А и, подбирая величину конденсатора С4, устанавливают такую частоту генерации (примерно 18…20 кГц), при которой высокочастотные выбросы напряжения на конденсаторе C3 минимальны.

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

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

Основные технические характеристики:

  • Входное напряжение, В — 15…25.
  • Выходное напряжение, В — 5.
  • Максимальный ток нагрузки, А — 4.
  • Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 4 А во всем диапазоне входных напряжений, мВ, не более — 50.
  • КПД, %, не ниже — 60.
  • Рабочая частота при входном напряжении 20 б и токе нагрузки 3А, кГц—20.

Улучшенный вариант импульсного стабилизатора на +5В

В сравнении с предыдущим вариантом импульсного стабилизатора в новой конструкции А. А. Миронова (рис. 3) усовершенствованы и улучшены такие его характеристики, как КПД, стабильность выходного напряжения, длительность и характер переходного процесса при воздействии импульсной нагрузки.

Рис. 3. Схема импульсного стабилизатора напряжения.

Оказалось, что при работе прототипа (рис. 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 дополнительные 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. 2) был введен дополнительный выходной LC-фильтр (L2, С5).

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 фи

Импульсный стабилизатор напряжения — Википедия

И́мпульсный стабилиза́тор напряже́ния (ключево́й стабилизатор напряжения, используются также названия импульсный преобразователь, импульсный источник питания) — стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент (ключ) работает в импульсном режиме[1], то есть регулирующий элемент периодически открывается и закрывается.

Энергия первичного источника питания передаётся через регулирующий элемент определёнными порциями, заданными контуром регулирования так, чтобы стабильным было среднее значение выходного напряжения. Сглаживание пульсаций выходного напряжения происходит благодаря наличию элемента (или сочетания элементов), способного накапливать электрическую энергию и отдавать её в нагрузку.

Импульсный стабилизатор напряжения по сравнению с линейным стабилизатором имеет меньшие потери энергии на нагрев регулирующего элемента, что повышает КПД стабилизатора и позволяет применять регулирующий элемент меньшей мощности, а радиатор меньших размеров и веса.

Сравнение с линейным стабилизатором

Преимущества:

  • высокий КПД, особенно при работе в большом диапазоне входных напряжений[2];
  • малые габариты и масса (высокая удельная мощность)[2];
  • принципиальная возможность гальванической развязки входных и выходных цепей, при работе от промышленной сети переменного тока не требуется использование имеющего большие габариты и вес трансформатора, рассчитанного на частоту 50/60 Гц[2].

Недостатки:

  • импульсные помехи во входных и выходных цепях[2] — как дифференциальные (противофазные), так и помехи общего вида (синфазные помехи)[3][4];
  • более высокая нестабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения или тока нагрузки[2];
  • более длительные переходные процессы (большее время восстановления выходного напряжения после скачкообразного изменения входного напряжения или тока нагрузки)[2];
  • входное отрицательное дифференциальное сопротивление — входной ток увеличивается при уменьшении входного напряжения; если импеданс первичного источника напряжения (включая входные вспомогательные цепи самого импульсного преобразователя) выше отрицательного импеданса импульсного преобразователя, то возникают автоколебания с нарушением работоспособности и возможным повреждением стабилизатора[4][5][6].

Функциональные схемы по типу цепи управления

Импульсный стабилизатор напряжения представляет собой систему автоматического регулирования. Задающим параметром для контура регулирования служит опорное напряжение, которое сравнивается с выходным напряжением стабилизатора. В зависимости от сигнала рассогласования устройство управления изменяет соотношение длительностей открытого и закрытого состояния ключа.

В представленных ниже структурных схемах можно выделить три функциональных узла: ключ (1), накопитель энергии (2) (который иногда называют фильтром[7]) и цепь управления. При этом ключ (1) и накопитель энергии (2) вместе образуют силовую часть[8] стабилизатора напряжения[⇨], которая вместе с цепью управления образуют контур регулирования. По типу цепи управления различают три схемы.

С триггером Шмитта

Стабилизатор напряжения с триггером Шмитта называется также релейным или стабилизатором с двухпозиционным регулированием[9]. В нём выходное напряжение сравнивается с нижним и верхним порогами срабатывания триггера Шмитта (4 и 3) посредством компаратора (4), который обычно является входной частью триггера Шмитта. При замкнутом ключе (1) входное напряжение поступает на накопитель энергии (2), выходное напряжение нарастает, и после достижения верхнего порога срабатывания Umax триггер Шмитта переключается в состояние, размыкающее ключ (1). Накопленная энергия расходуется в нагрузке, при этом напряжение на выходе стабилизатора спадает, и после достижения нижнего порога срабатывания Umin триггер Шмитта переключается в состояние, замыкающее ключ. Далее описанный процесс периодически повторяется. В результате на выходе образуется пульсирующее напряжение, размах пульсаций которого зависит от разности порогов срабатывания триггера Шмитта.

Такой стабилизатор характеризуются сравнительно большой, принципиально неустранимой пульсацией напряжения на нагрузке и переменной частотой преобразования, зависящей как от входного напряжения, так и от тока нагрузки[10].

С широтно-импульсной модуляцией

Структурная схема стабилизатора напряжения с ШИМ

Как и в предыдущей схеме, в процессе работы накопитель энергии (2) или подключён к входному напряжению, или передаёт накопленную энергию в нагрузку. В результате на выходе имеется некоторое среднее значение напряжения, которое зависит от входного напряжения и скважности[11] импульсов управления ключом (1). Вычитатель-усилитель на операционном усилителе (4) сравнивает выходное напряжение с опорным напряжением (6) и усиливает разность, которая поступает на модулятор (3). Если выходное напряжение меньше опорного, то модулятор увеличивает отношение времени открытого состояния ключа к периоду тактового генератора (5). При изменении входного напряжения или тока нагрузки скважность импульсов управления ключом изменяется таким образом, чтобы обеспечить минимальную разность между выходным и опорным напряжением.

В таком стабилизаторе частота преобразования не зависит от входного напряжения и тока нагрузки и определяется частотой тактового генератора[10].

С частотно-импульсной модуляцией

При этом способе управления импульс, открывающий ключ, имеет постоянную длительность, а частота следования импульсов зависит от сигнала рассогласования между опорным и выходным напряжениями. При увеличении тока нагрузки или снижении входного напряжения частота увеличивается. Управление ключом может осуществляться, например, с помощью моностабильного мультивибратора (одновибратора) с управляемой частотой запуска.

Основные схемы силовой части

Данный раздел имеет чрезмерный объём или содержит маловажные подробности.

Если вы не согласны с этим, пожалуйста, покажите в тексте существенность излагаемого материала. В противном случае раздел может быть удалён. Подробности могут быть на странице обсуждения.

По схеме силовой части импульсные стабилизаторы делят обычно на три основных типа: понижающие, повышающие и инвертирующие[8]. Такое разделение сложилось, в частности, в отечественной технической литературе[12].

Некоторые авторы, рассматривая схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения во всём их многообразии, показывают, что число элементарных базовых схем преобразователя можно свести к двум[13] — понижающего типа и повышающего типа. Также отмечается, что другие схемы импульсного преобразователя напряжения (в том числе инвертирующего преобразователя[14]) могут быть получены каскадным соединением этих двух базовых схем[15][неавторитетный источник?][16].

В нижеприведённых схемах в качестве ключа S могут использоваться полевой транзистор, биполярный транзистор или тиристор, цепь управления ключом для простоты не показана. Отношение времени замкнутого состояния ключа к сумме длительностей замкнутого и разомкнутого состояний называют коэффициентом заполнения (или рабочим циклом — англ. duty cycle)[2].

Преобразователь с понижением напряжения

Преобразователь с понижением напряжения

Названия в англоязычной литературе — buck converter (step-down converter). Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диод D, при этом величина тока уменьшается. При достаточной индуктивности ток дросселя не успевает уменьшиться до нуля к началу следующего цикла (режим неразрывных токов) и имеет пульсирующий характер. Поэтому даже при отсутствии конденсатора C напряжение на нагрузке R будет иметь такой же характер с пульсациями, размах которых тем меньше, чем больше индуктивность дросселя. Однако, на практике увеличение индуктивности связано с увеличением габаритов, массы и стоимости дросселя и потерь мощности в нём, поэтому использование конденсатора для уменьшения пульсаций более эффективно. Сочетание элементов L и C в этой схеме часто называют фильтром[10][17].

Преобразователь с повышением напряжения

Преобразователь с повышением напряжения

Названия в англоязычной литературе — boost converter (step-up converter). Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диод D и конденсатор C (заряжая его). К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузке R напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора. В отличие от предыдущей схемы, здесь дроссель не является элементом фильтра. Напряжение на нагрузке всегда больше напряжения источника[10][18].

Инвертирующий преобразователь

Инвертирующий преобразователь

Название в англоязычной литературе — buck-boost converter (то есть «понижающе-повышающий преобразователь»). Основное отличие от предыдущей схемы состоит в том, что цепь D, R, C подключена параллельно дросселю, а не параллельно ключу. Принцип работы схемы похожий. Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через конденсатор C (заряжая его) и диод D. К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузке R напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора (дроссель не является элементом фильтра). Напряжение на нагрузке может быть как больше, так и меньше напряжения источника[10][19].

Влияние диода на КПД

Прямое падение напряжения для обычных кремниевых диодов составляет около 0,7 В, для диодов Шоттки — около 0,4 В. Мощность, рассеиваемая в диоде при больших токах, существенно снижает КПД, особенно в стабилизаторах с низким выходным напряжением. Поэтому в таких стабилизаторах диод часто заменяют дополнительным полупроводниковым ключом с низким падением напряжения в открытом состоянии, например, силовым полевым транзистором.

Во всех трёх описанных схемах диод D может быть заменён на дополнительный ключ[20], замыкаемый и размыкаемый в противофазе к основному ключу.

Гальваническая развязка

Если требуется гальваническая развязка входных и выходных цепей импульсного стабилизатора — например, по требованиям электробезопасности при использовании промышленной сети переменного тока в качестве первичного источника питания — можно применить разделительный трансформатор в рассмотренных выше основных схемах. Использование высокочастотного трансформатора в схеме преобразователя с понижением напряжения приводит к схеме однотактного или двухтактного прямоходового преобразователя (англ. forward converter). Замена дросселя в схеме инвертирующего преобразователя на дроссель с двумя или более обмотками приводит[21] к схеме обратноходового преобразователя (англ. flyback converter).

Некоторые особенности импульсных преобразователей с гальванической развязкой входа от выхода:

  • Благодаря высокой рабочей частоте преобразования (от 20 кГц до 1 МГц[2]) габаритные размеры развязывающего трансформатора или многообмоточного дросселя значительно меньше, чем трансформатора для частоты 50 Гц.
  • В цепи управления применяется либо оптрон, либо отдельная обмотка в трансформаторе (или дросселе), либо специальный трансформатор.

Особенности использования

Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкой
A — входной выпрямительный мост и фильтр помех.
B — конденсаторы входного фильтра, правее — радиатор высоковольтных транзисторов.
C — трансформатор, правее — радиатор низковольтных диодов.
D — выходной дроссель.
E — конденсаторы выходного фильтра.
Ниже E — дроссель и конденсатор входного фильтра на сетевом разъёме.

Фильтрация импульсных помех

Импульсный стабилизатор напряжения является источником высокочастотных помех в связи с тем, что содержит ключи, коммутирующие ток[22]. Поэтому в моменты коммутации возникают довольно значительные броски напряжения и тока, порождающие помехи как на входе, так и на выходе стабилизатора, причём помехи и противофазные, и синфазные[3]. Фильтры для подавления помех устанавливаются как на входе, так и на выходе стабилизатора.

Для снижения помех можно производить коммутацию ключа в моменты, когда через ключ нет тока при размыкании, или на ключе нулевое напряжение при замыкании. Этот приём используют в так называемых резонансных преобразователях, которые также имеют свои недостатки[23][24].

Входное сопротивление

Импульсный стабилизатор напряжения под нагрузкой имеет входное отрицательное дифференциальное сопротивление — при повышении входного напряжения входной ток уменьшается, и наоборот. Это следует учитывать для сохранения устойчивости работы импульсного стабилизатора напряжения от источника с повышенным внутренним сопротивлением[4][6].

Использование в сетях переменного тока

Рассмотренные выше импульсные стабилизаторы (преобразователи) напряжения преобразуют постоянный ток на входе в постоянный ток на выходе. Для питания устройств от электрической сети переменного тока на входе устанавливается выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Это предполагает наличие некоторого количества элементов, установленных до развязывающего трансформатора, а значит, гальванически связанных с входными цепями. Такие элементы обычно выделяются на платах либо штриховкой, либо чертой на слое сеткографической маркировки, или даже особой окраской, которая предупреждает человека о потенциальной опасности прикосновения к ним. Импульсные блоки питания в составе других приборов (телевизоров, компьютеров) закрываются защитными крышками, снабжёнными предупреждающими надписями. Если при ремонте импульсного блока питания необходимо включить его со снятой крышкой, рекомендуется включать его через развязывающий трансформатор или УЗО.

Часто помехоподавляющие фильтры на входе импульсных блоков питания соединяются с корпусом прибора. Это делается в том случае, если предполагается подключение защитного заземления корпуса. Если защитным заземлением пренебрегли, то на корпусе прибора образуется потенциал относительно земли, равный половине сетевого напряжения. Конденсаторы фильтров, как правило, имеют небольшую ёмкость, поэтому прикосновение к корпусу такого прибора неопасно для человека, но одновременное прикосновение чувствительными частями тела к заземленным приборам и к незаземленному корпусу ощутимо (говорят, что прибор «кусается»). Кроме того потенциал на корпусе может быть опасен для самого прибора.

См. также

Примечания

  1. ↑ ГОСТ Р 52907-2008. docs.cntd.ru. Проверено 2 февраля 2018.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. — М. : Додэка, 1997. — С. 15—16. — 224 с. — ISBN 587835-0010-6
  3. 1 2 Электромагнитная совместимость в электроэнергетике (рус.). lib.rosenergoservis.ru. Проверено 19 августа 2017.
  4. 1 2 3 Жданкин В. Подавление электромагнитных помех во входных цепях преобразователей постоянного напряжения
  5. ↑ Севернс и Блум, 1988, с. 218.
  6. 1 2 Sokal, Nathan O. (1973). «System oscillations from negative input resistance at power input port of switching-mode regulator, amplifier, DC/DC converter, or DC/DC inverter»: 138–140. DOI:10.1109/PESC.1973.7065180. (англ.)
  7. Титце У. Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Мир, 1982. — С. 271.
  8. 1 2 Импульсные стабилизаторы. Studopedia.org. Проверено 6 января 2018.
  9. Китаев В. В. Электропитание устройств связи. — : Связь, 1975. — С. 196—207. — 328 с. — 24 000 экз.
  10. 1 2 3 4 5 8.4. Импульсные стабилизаторы. riostat.ru. Проверено 16 августа 2017.
  11. ↑ В расчётах стабилизатора обычно используется величина, обратная скважности — коэффициент заполнения.
  12. ↑ Семенов, 2006.
  13. ↑ Севернс и Блум, 1988, с. 9—14.
  14. ↑ Хотя тут же (С. 139) Севернс и Блум отмечают, что многими специалистами схема инвертирующего преобразователя рассматривается как третья элементарная преобразовательная ячейка.
  15. ↑ Севернс и Блум, 1988, с. 138—139.
  16. Поликарпов А. Г., Сергиенко Е. Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. — М.: Радио и связь, 1989. — С. 6—7. — 160 с. — ISBN 5-256-00213-9
  17. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Понижающий преобразователь — Стр. 128
  18. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Повышающий преобразователь — Стр. 129
  19. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Инвертирующий повышающий преобразователь — Стр. 130
  20. ↑ Как, например, в микросхеме TPS54616
  21. ↑ The Flyback Converter — Lecture notes — ECEN4517 — Department of Electrical and Computer Engineering — University of Colorado, Boulder.
  22. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Первичный источник питания — Подавление радиопомех — Стр. 147
  23. ↑ Источники питания — Раздел 16. Импульсные источники питания — Схемы управления — Резонансные контроллеры, стр. 145 //issh.ru
  24. ↑ Авторская страница Б. Ю. Семенова

Литература

Ссылки

Импульсные стабилизаторы напряжения — Меандр — занимательная электроника

Общим недостатком линейных стабилизаторов в случае существенной флюктуации входного напряжения является низкий КПД и повышенное тепловыделение. Мощные линейные стабилизаторы, обеспечивающие ток нагрузки от нескольких ампер и более, обладают большими массой и габаритами. Для существенной компенсации указанных недостатков применяют импульсные стабилизаторы.

Импульсным стабилизатором напряжения называют устройство, которое поддерживает неизменным напряжение на нагрузке за счет регулирования компонентом, работающим в ключевом режиме. Импульсные стабилизаторы, как и линейные, бывают параллельного и последовательного типов. В качестве ключевого компонента чаще всего используют транзисторы.

Поскольку рабочая точка регулирующего прибора почти все время находится в области насыщения или отсечки, минуя активную область, в транзисторе рассевается мало тепла, а значит, КПД импульсного стабилизатора высок.

Стабилизация реализована путем изменения длительности импульсов или управления частотой их следования. Соответственно, различают широтно-импульсное (ШИ) или частотно-импульсное (ЧИ) регулирование. Иногда импульсные стабилизаторы работают в смешанном широтно-частотно-импульсном режиме (ЧШИ).

В стабилизаторах с ШИ-регулированием частота следования импульсов постоянна, а длительность импульсов непостоянна. В стабилизаторах с ЧИ-регулированием длительность импульсов неизменна, а варьируют частоту.

После регулирующего прибора напряжение имеет импульсную форму, а значит непригодно для непосредственного питания нагрузки. Прежде чем подать напряжение на нагрузку, его необходимо сгладить, для чего на выходе всех импульсных стабилизаторов устанавливают сглаживающие индуктивно-емкостные фильтры. Фильтры могут быть многозвенными, П-образными, Г-образными и других видов.

Усредненное напряжение, приложенное к нагрузке, можно найти по формуле:0где Ти —длительность периода, с;

tи — длительность импульса, с;

Rн — сопротивление нагрузки, Ом;

I(t) — величина тока, протекающего через нагрузку, А.

В зависимости от индуктивности сглаживающего дросселя ток через LС-фильтр может перестать течь к началу очередного импульса (тогда говорят о режиме работы с разрывным током) или продолжать течь, и в этом случае подразумевают режим работы с неразрывным током.

Если нагрузка требовательна к пульсациям напряжения, то предпочитают режим неразрывных токов, мирясь с обычно большими затратами провода обмотки дросселя. Если величина пульсации выходного напряжения несущественна, то целесообразна работа в режиме разрывных токов.

Принцип действия импульсных стабилизаторов напряжения

В общем случае импульсный стабилизатор состоит из импульсного преобразователя, содержащего регулирующий прибор; задающего генератора, управляющего преобразователем; сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсации выходного напряжения, и устройства сравнения, вырабатывающего разностный сигнал между выходным и опорным напряжениями.

Соединение основных блоков отражено на структурной схеме импульсного стабилизатора напряжения, показанной на рис. 1.

Рис.1. Импульсный стабилизатор напряжения

Рис.1. Импульсный стабилизатор напряжения

Выходное напряжение стабилизатора подают на устройство сравнения с образцовым напряжением и на выходе устройства получают сигнал, пропорциональный разности этих напряжений. Разностный сигнал сразу же подают на задающий генератор или вначале увеличивают его усилителем постоянного тока.

При ШИ-регулировании в задающем генераторе аналоговый разностный сигнал преобразуют в импульсы с фиксированной частотой и изменяемой длительностью, а при ЧИ-регулировании длительность импульсов постоянна, а в зависимости от параметров сигнала изменяют частоту генерируемых импульсов.

Выработанные задающим генератором импульсы управления поступают на компоненты преобразователя, регулирующий транзистор которого работает в ключевом режиме. Варьируя частоту или ширину импульсов генератора, можно изменять напряжение на нагрузке. В зависимости от параметров импульсов управления, преобразователь корректирует величину выходного напряжения, стабилизируя его. Теоретически в стабилизаторах с ШИ- и ЧИ-регулированием пульсации напряжения на нагрузке могут полностью отсутствовать.

При релейной стабилизации сигнал, управляющий преобразователем напряжения, вырабатывается триггером. При подаче постоянного напряжения на вход стабилизатора ключевой транзистор преобразователя открыт, и возрастает выходное напряжение. Устройство сравнения вырабатывает разностный сигнал, который, достигая определенного верхнего порога, изменит состояние триггера, и он переключит регулирующий транзистор в состояние отсечки. Выходное напряжение стабилизатора начнет снижаться. При достижении нижнего порога устройство сравнения вырабатывает разностный сигнал, который вновь переключит триггер, и регулирующий транзистор войдет в состояние насыщения. Напряжение на нагрузке стабилизатора начнет возрастать. Таким образом, при релейной стабилизации выходное напряжение постоянно флюктуирует, и его среднее значение соответствует номинальному напряжению. Порог срабатывания триггера устанавливают корректировкой амплитуды напряжения на выходе устройства сравнения.

Релейные стабилизаторы обладают более высоким быстродействием по сравнению со стабилизаторами с ШИ- и ЧИ-регулированием, что является достоинством. Теоретически при релейной стабилизации всегда в выходном напряжении будут присутствовать пульсации, что относят к недостаткам.

Повышающий стабилизатор

Повышающие импульсные стабилизаторы используют совместно с нагрузками, напряжение питания которых больше, чем входное напряжение стабилизаторов. Гальванической развязки нагрузки и питающей сети нет. За рубежом повышающие стабилизаторы носят название «boost converter». Рассмотрим рис. 2, на котором изображены основные компоненты такого стабилизатора.

Рис.2. Повышающий стабилизатор

Рис.2. Повышающий стабилизатор

Приложим отпирающее транзистор VT1 напряжение управления между затвором и истоком. Транзистор входит в состояние насыщения, и ток течет по цепи от +Ubx, через накопительный дроссель L1, открытый транзистор VT1, -Ubx. При этом в магнитном поле дросселя L1 накапливается энергия. Ток через нагрузку может обеспечить только разряд конденсатора С1.

Снимем отпирающее напряжение управления с транзистора VT1. Транзистор перейдет в состояние отсечки, на выводах дросселя L1 возникнет напряжение ЭДС самоиндукции, причем оно будет включено последовательно с входным направлением и приложено через диод VD1 к нагрузке. Ток потечет по цепи +Ubx, дроссель L1, диод VD1, нагрузка, -Ubx. В это время магнитное поле дросселя L1 отдает энергию, а конденсатор С1 энергию запасает для поддержания напряжения на нагрузке после того, как транзистор VT1 войдет в насыщение. Дроссель L1 служит только для запасания энергии и не участвует в фильтрации напряжения.

Снова подадим отпирающее напряжение на транзистор VT1, который откроется, и рассмотренный процесс повторится сначала.

Понижающий стабилизатор

Понижающие импульсные стабилизаторы — это мощные и, в то же время, компактные устройства электропитания нечувствительной к наводкам нагрузки постоянным напряжением неизменной величины. Гальваническая развязка между входом и выходом в понижающих импульсных стабилизаторах отсутствует. За рубежом понижающие стабилизаторы называют «chopper». Выходное напряжение в таких стабилизаторах всегда ниже входного. Включение важнейших компонентов понижающего импульсного стабилизатора показано на рис. 3.

Рис.3. Инвертирующий стабилизатор

Рис.3. Понижающий стабилизатор

Приложим напряжение управления между затвором и истоком транзистора VT1. Транзистор войдет в состояние насыщения, и потечет ток по цепи от +Uвх, через сглаживающий дроссель L1, нагрузку, -Uвх. Ток в прямом направлении через диод VD1 не протекает.

Уберем напряжение управления, отпирающее ключевой транзистор, и он войдет в состояние отсечки. ЭДС самоиндукции сглаживающего дросселя L1 будет препятствовать изменению тока. Ток потечет по цепи от дросселя L1, через нагрузку, общий провод, диод VD1, и вернется в дроссель. Конденсатор С1 разряжается и при этом поддерживает выходное напряжение.

Подадим отпирающее напряжение между затвором и истоком ключевого транзистора VT1. Транзистор перейдет в насыщение, и процесс повторится сначала.

Инвертирующий стабилизатор

Инвертирующие импульсные стабилизаторы применяют для питания нагрузок фиксированным напряжением, полярность которого противоположна полярности входного напряжения. Величина выходного напряжения инвертирующего стабилизатора может быть как больше напряжения питающей сети, так и меньше в зависимости от того, как стабилизатор отрегулирован. Гальваническая развязка питающей сети и нагрузки отсутствует. В иностранной литературе инвертирующие импульсные стабилизаторы называют «buck-boost converter». Выходное напряжение в таких стабилизаторах всегда ниже входного.

Включение основных компонентов инвертирующего стабилизатора изображено на рис. 4.

Рис.4. Инвертирующий стабилизатор

Рис.4. Инвертирующий стабилизатор

Приложим напряжение управления, отпирающее транзистор VТ1, между его затвором и истоком. Транзистор открывается, и ток течет по цепи от +Uвх, открытый транзистор VТ1, дроссель L1, -Uвх. В это время магнитное поле дросселя L1 запасает энергию.

Уберем напряжение управления затвор-исток с ключевого транзистора VТ1, который от этого закроется. Ток потечет по цепи от дросселя L1, через нагрузку, диод и снова вернется в дроссель L1. Энергия, запасенная в конденсаторе С1 и в магнитном поле дросселя L1, в это время расходуется на питание нагрузки.

Опять подадим отпирающее транзистор VТ1 напряжение управления между затвором и истоком. Транзистор войдет в насыщение, и цикл повторится.

Зачем делают импульсные стабилизаторы напряжения. — Радиомастер инфо

Рассказано о назначении стабилизаторов, основных типах – линейных и импульсных, достоинствах и недостатках. Показаны испытания и результаты.

Для наглядности рассмотрим структурную схему, из анализа которой, назначение стабилизатора становится наиболее понятным.

Допустим, для питания нагрузки нужно постоянное напряжение 5В. Мы можем сделать выпрямитель, который из напряжения сети сформирует постоянное напряжение 5В при напряжении сети 230В. Но напряжение сети может изменяться и если не предпринять никаких мер, то и напряжение на выходе выпрямителя отклонится от нужного значения 5В. Для того, чтобы этого не произошло, нужен стабилизатор. Отсюда основная задача стабилизатора – поддерживать неизменное напряжение на выходе при изменении входного. Стабилизатор еще выполняет и другие функции, а именно, поддерживает постоянным напряжение в нагрузке при изменении тока в ней и уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.

Наиболее простыми являются линейные стабилизаторы. Их принцип работы понятен из приведенной ниже схемы.

При отклонении напряжения на выходе от нормы с делителя напряжения R2, R3 на регулирующий элемент R1 подается управляющий сигнал. R1 изменяет свое сопротивление до тех пор, пока напряжение на выходе не придет в норму. Понятно, что разница между входным и выходным напряжением падает на R1, при больших токах это приводит к выделению значительной мощности и понижает КПД линейного стабилизатора. В качестве R1, как правило, используется транзистор. Для обеспечения его работы в схеме есть источник образцового напряжения (стабилитрон) и усилитель сигнала ошибки.  Схемы линейных стабилизаторов выполняются на отдельных элементах и в виде микросхем. Наиболее распространены микросхемы серии 7805, 7808, 7812, КР142ЕН5 и т.д. Подробнее можно посмотреть здесь и здесь.

Ниже приведены результаты испытаний линейного стабилизатора напряжения на микросхеме 7805. Напряжение на входе 7,3В, ток 1,08А. Напряжение на выходе 5,1В, ток 1,01А. Пульсации на осциллографе, подключенном к нагрузке, отсутствуют. Мощность на входе равна 7,3В х 1,08А = 7,9Вт. Полезная мощность в нагрузке равна: 5,1В х 1,01А = 5,2Вт. КПД = 5,2 : 7,9 = 0,66 или 66%.

Напряжение на входе 19В, ток 1,08А. Напряжение на выходе 5,1В, ток 1,02А. Пульсации на осциллографе практически отсутствуют. Мощность на входе равна 19В х 1,08А = 20,5Вт. Полезная мощность в нагрузке равна: 5,1В х 1,02А = 5,2Вт. КПД = 5,2 : 20,5 = 0,25 или 25%.

Чтобы повысить КПД стабилизаторов широко используются импульсные стабилизаторы. Принцип их работы заключается в том, что постоянное входное напряжение преобразуется в импульсное, с частотой от десятков до сотен кГц. Это импульсное напряжение на выходе с помощью индуктивности, диода и конденсатора фильтра снова преобразуется в постоянное напряжение. Величина напряжения на выходе зависит от длительности импульсов и поддерживается постоянной за счет обратной связи управляющей длительностью импульсов генератора. Структурная схема импульсного стабилизатора приведена ниже.

Мощный ключ VT1 в такой схеме имеет два устойчивых состояния – полностью открыт или полностью закрыт. При этом величина выходного напряжения прямо пропорциональна времени открытого состояния ключа. Падение напряжения на нем минимально, и он практически не греется, что существенно повышает КПД таких стабилизаторов. Подробнее о работе импульсных стабилизаторов можно посмотреть здесь .

Ниже приведены результаты испытаний импульсного стабилизатора напряжения на микросхеме 2576Т-5,0.

Напряжение на входе 7,5В, ток 0,84А. Напряжение на выходе 5,В, ток 0,98А. Мощность на входе равна 7,5В х 0,84А = 6,3Вт. Полезная мощность в нагрузке равна: 5 В х 0,98А = 4,9Вт. КПД = 4,9 : 6,3 = 0,78 или 78%. Как видно на осциллограмме, положительные импульсы широкие и небольшие по амплитуде. Это самый низкий КПД для импульсного стабилизатора.

Напряжение на входе 18,2В, ток 0,34А. Напряжение на выходе 5,В, ток 0,99А. Мощность на входе равна 18,2В х 0,34А = 6,2Вт. Полезная мощность в нагрузке равна: 5 В х 0,99А = 5Вт. КПД = 5 : 6,2 = 0,88 или 80%. Положительные импульсы по амплитуде выше, а по длительности меньше, чем в предыдущем случае. По сравнению с КПД линейного стабилизатора 25% при близком напряжении (там было 19В) это в разы лучше.

У линейного стабилизатора больше 19В повышать напряжение на входе не было возможности так как микросхема перегружалась и у нее срабатывала защита. У импульсного стабилизатора повышать напряжение можно. У 2576 до 40В, а у 2576HV до 60В. При этом КПД еще повышается.

Рассчитанный по методике, приведенной выше, при 24,2В КПД импульсного стабилизатора составляет 90%. При этом микросхема практически не греется, так как в последнем рассмотренном примере на ней выделяется мощность 0,6 Вт. У линейного стабилизатора при 19В мощность на микросхеме более 15Вт. Разница впечатляет. Для наглядности результаты сведены в таблицу при минимальных напряжениях на входе:

И при максимальных напряжениях на входе:

Но у импульсных стабилизаторов тоже есть недостатки. Конструктивно немного сложнее, чем линейный стабилизатор. Требуется индуктивность и быстрый диод на выходе. Но самое главное пульсации выше и есть помехи. Как видно на фото ниже они достигают 0,1В при токе 1А.

Для устранения указанных недостатков нужно применять дополнительные фильтры, например, как рекомендовано в документации микросхем 2576:

В любом случае, выигрыш КПД в разы по сравнению с линейными стабилизаторами делает импульсные стабилизаторы напряжения наиболее распространенными в последнее время. А повышение рабочей частоты, например, до 180кГц в микросхемах XL4016, делает возможным получать токи в нагрузке до 8А при небольших габаритах блока с радиатором в целом.

Используя такой импульсный стабилизатор напряжения с возможностью регулировки выходного тока и небольшой вольтметр-амперметр можно изготовить регулируемый блок питания для многих приборов и зарядное устройство для аккумуляторов включая автомобильные. Подробнее как это сделать показано здесь.

Материал статьи продублирован на видео:

Большой импульсный лазер

— BattleTechWiki

Большой импульсный лазер
Производственная информация
Тип Энергия (Импульс)
Техническая база Клан / IS
Год выпуска Клан = 2824 CCY

IS = 2609 TH [1] [2]

год вымирания IS = 2950 [2]
Год повторного введения IS = 3037 DC [1] [2]
Рейтинг технологии E
Рейтинги доступности E [2] / F [2] / D [2]
Технические характеристики
Тепло 10 [3] [4]
Повреждение Клан = 10 [4]

IS = 9 [3]

Минимальный диапазон 0 [3] [4]
Короткий диапазон Клан = 1-6 [4]

IS = 1-3 [3]

Средняя дальность Клан = 7-14 [4]

IS = 4-7 [3]

Большой радиус действия Клан = 15-20 [4]

IS = 8-10 [3]

Тонн Клан = 6 [4]

IS = 7 [3]

Критических слотов 2 [3]
боеприпасов на тонну н / д
Стоимость (без груза) 175,000 [2]
Стоимость боеприпасов (за тонну) н / д
BV (1.0) Клан = 265

IS = 119

BV (2,0) Клан = 265 [5]

IS = 119 [6]

Описание [править]

Импульсные лазеры отличаются от традиционного лазерного оружия тем, что вместо одного мощного луча они запускают лазерные лучи в быстрой последовательности. Предлагая общую повышенную скорострельность, соответственно увеличивается и тепловая мощность. Импульсные лазеры увеличивают урон, потому что они позволяют испаренной броне рассеиваться с места повреждения.Это позволяет последующим импульсам достигать целевой области, не рассеиваясь паром. [1]

Большие импульсные лазеры — самые мощные импульсные лазеры с деструктивным и далеко идущим пучком импульсов. В то время как даже штурмовые роботы могут быть уничтожены коротким шквалом огня из большого импульсного лазера, накопление тепла огромно и быстро перегреет мехи, если они используются в течение продолжительного времени. [1]

Хотя это и не указано в названиях, Импульсные Лазеры Клана значительно расширили диапазон действия по сравнению с моделями Внутренней Сферы.

Большой импульсный лазер производится на следующих планетах:

Diverse Optics Type 20 [править]

Diverse Optics Type 30P [редактировать]

.

AM Stabilizers — Мировой поставщик высококачественных жидких и порошковых термостабилизаторов для гибких и жестких ПВХ

Жидкие и порошковые стабилизаторы кальция / цинка и бария / цинка для всех типов виниловых напольных покрытий (LVT, VCT, подушечный винил, листовой винил и т. Д.)

Low-VOC для улучшения качества воздуха в помещении и слабого запаха

Соответствует REACh, Стабилизаторы, не содержащие нонилфенола

Стабилизаторы, не содержащие алкилфенолов (нонилфенол, додецилфенол и т. д.))

Повышенная прозрачность слоя износа

Проверенная технология кальциево-цинковых стабилизаторов, превосходящая требования THWN-2, 14 AWG, 15 мил

Коммерческие стабилизаторы, разработанные для автомобильного провода при высоких температурах
(тип T3)

Стабилизаторы Ca / Zn, разработанные для улучшения электроизоляционных свойств Стоимость, высокопроизводительные стабилизаторы оболочки

Стабилизаторы Ca / Zn для кабелей связи, стояков и камер

Стабилизаторы барий / цинк и кальций / цинк с проверенными долгосрочными характеристиками в самых суровых погодных условиях

Превосходное сохранение белого цвета и сохранение физических свойств с течением времени

Превосходная устойчивость к экссудации

Жидкие и порошковые стабилизаторы кальция / цинка и бария / цинка, подходящие для самых строгих требований к туманообразованию

Стабилизаторы с низким содержанием летучих органических соединений для улучшения запаха

Соответствие REACh, без нонилфенола, без алкилфенола, без бария, фенол Стабилизаторы, не содержащие 2-EH, не содержащие кислоты и бисфенола А

Отличные характеристики умеренного теплового старения

Системы стабилизаторов кальция / цинка для замены оловянных стабилизаторов

Доступны однокомпонентные системы стабилизаторов / смазок

Стабилизаторы Ca / Zn, которые обеспечивают превосходные погодные характеристики по сравнению со стабилизаторами из олова

Превосходная способность к печати на начальном этапе и с течением времени как в мономерных, так и в полимерных системах пластификаторов

Превосходная устойчивость белого цвета

Соответствие REACh, без нонилфенола, без алкилфенола, без бария, без фенола, 2-EH кислоты бесплатно, стабилизаторы без БФА

Жидкие и порошковые стабилизаторы кальция / цинка и бария / цинка со сверхнизким содержанием летучих органических соединений для улучшения качества воздуха в помещении и уменьшения запаха

Соответствие REACh, без нонилфенола, без алкилфенола, без бария, без фенола, 2- Стабилизаторы EH, не содержащие кислоты и бисфенола А

Стабилизаторы Ca / Zn, соответствующие стандартам ЕС для экстрагируемых веществ

Превосходные возможности печати на начальном этапе и с течением времени как в мономерных, так и в полимерных системах пластификаторов

.

Resolut T-DSP

Основная цель при создании модели Resolut T-DSP — предложить ультравысокое решение без малейших компромиссов. Это старшая модель в линейке процессоров Resolut, построенная с использованием цифро-аналогового преобразователя ES9038PRO Sabre — одного из лучших на сегодняшний день чипов с огромным потенциалом, который нам удалось раскрыть на все 100%. Можно говорить с уверенностью — Resolut T-DSP не просто тщательно обрабатывает звуковой сигнал, сохраняя каждый нюанс.Можно сказать, что он обладает душой и передает главное в музыке — эмоции.

В максимальной степени мы учли все характеристики, существующие на рынке High-End, с ES9038PRO Sabre. В результате мы можем предложить одну из лучших на сегодняшний день реализаций этого ЦАП на столь замечательном чипе. Слова не нужны, просто почувствуйте, как действительно может звучать музыка!

Для получения выдающегося результата, в Resolut T-DSP используется специальная улучшенная многоканальная система питания с увеличенным числом линий.Усовершенствованные импульсные стабилизаторы, работающие на частоте 1 МГц, и линейные стабилизаторы, построенные на дискретном решении, выдают исключительно чистую мощность для всех элементов и тем самым позволяют реализовать их потенциал на все 100%. Используются специальные конденсаторы со сверхнизким ESR (внутренним сопротивлением), используются качественные операционные усилители, тщательно подобранные специально для работы с ES9038PRO Sabre и наиболее реализующие возможности этого ЦАП.

За обработку звукового сигнала отвечает мощный процессор от Analog Devices — ADAU1466.Все расчеты производятся в разрешении 192 кГц / 64 бита, что позволяет без потерь работать даже с аудиоформатами высокого разрешения. Более того, в Resolut T-DSP используются оригинальные оптимизированные алгоритмы, более полно раскрывающие возможности ADAU1466 и вдобавок повышающие точность вычислений. Таким образом, бескомпромиссный подход позволил добиться сохранения высокого разрешения сигнала даже при сложной обработке в DSP.

Как и другие процессоры Resolut, модель T-DSP построена по модульности.Процессор может быть укомплектован дополнительными аудиомодулями USB на базе модулей Amanero или XMOS, модулем Bluetooth и интерфейсными блоками MOST 25 и MOST 150. Каждый из них напрямую подключается к вычислительному процессору хоста ADAU1466 и управляется 32-битным сопроцессор. Звуковой поток передается на DSP без каких-либо преобразований, снижающих разрешение и качество сигнала, все переключения происходят непосредственно в процессоре. Помимо гибкости при настройке Resolut T-DSP под конкретную установку, такая модульная архитектура позволяет оптимально распределять вычислительные ресурсы процессора.На поддержку неиспользуемых функций они не расходуются, но любая выбранная конфигурация работает наиболее эффективно — будь то работа в мультимедийном режиме, работа с оптической шиной автомобиля, оптимизация качества звука, режим склейки входных аналоговых сигналов при работе с обычными системами, включая компенсацию задержек или фазовых сдвигов, присущих сложным обычным аудиосистемам.

Особое внимание при разработке Resolut T-DSP уделяется оптимизации обмена данными между главным вычислительным процессором, управляющим микроконтроллером и памятью.Использование специальной высоконадежной и высокоскоростной памяти позволило исключить любую возможность потери данных или их ухудшения, в том числе в процессе постоянной реконфигурации. Любое изменение параметров и переключение между пресетами происходит в реальном времени с минимальной задержкой. Ресурс памяти огромен — даже при рекордных 100 раз в секунду срок ее безотказной службы гипотетически составляет 31000 лет. Скорость и высокая надежность особенно актуальны для участников автозвуковых соревнований, желающих получить не просто мощный, а надежный инструмент настройки звука.

.

0 0 vote
Article Rating
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments