Постоянного напряжения и тока

Самостоятельная работа № 8

Тема занятия: Импульсные (ключевые) стабилизаторы

Постоянного напряжения и тока

Учебные вопросы

1. Импульсные компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения и тока.

2. Понятие о способах электрической защиты источников вторичного электропитания РЭСБН.

3. Обеспечение заданного теплового режима ИВЭП.

Литература

1. Бушуев В. М., Деминский В. А. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: учеб. пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2011. - с. 158 – 164.

Импульсные компенсационные стабилизаторы

постоянного напряжения и тока

Общие сведения. Самым главным недостатком, присущим компенсационным стабилизаторам с регулирующим элементом непрерывного действия является низкий КПД, что является следствием выделения значительной мощности в регулирующем элементе в процессе регулирования. Мощность, выделяемая на регулирующем элементе, уменьшается, если он работает в ключевом режиме. Стабилизаторы такого типа получили название импульсных. Регулирующие транзисторы в импульсных стабилизаторах работают как переключающие элементы: это и объясняет высокие энергетические показатели этих устройств, что является одним из основных преимуществ таких стабилизаторов напряжения.

Коэффициент полезного действия импульсных стабилизаторов может достигать 70...75% при выходном напряжении 5 В, при этом их удельная мощность составляет 120...250 Вт/дм³. Применение современной элементной базы позволяет осуществить преобразование энергии на частотах переключений до нескольких сотен килогерц. Работа импульсных стабилизаторов на повышенных частотах позволяет уменьшить объем и массу электромагнитных элементов и емкость конденсаторов, и тем самым повысить удельные объемно-массовые показатели устройства, что также является достоинством импульсных стабилизаторов напряжения.

В импульсных стабилизаторах применяется три способа регулирования: широтно-импульсный (ШИМ), при котором период коммутации постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (когда транзистор открыт) изменяется; частотно-импульсный (ЧИМ), при котором период коммутации не постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки) постоянно; двухпозиционный (релейный), при котором и период и относительное время, когда транзистор находится в области насыщения (отсечки), изменяются. Наибольшее применение в практике находят импульсные стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией и двухпозиционные.

Широтно-импульсный регулятор напряжения. Функции регулятора может выполнять непосредственный ППН понижающего типа с регулирующим элементом – транзистором VT1, управляемый сигналом системы управления СУ и работающем в ключевом (импульсном) режиме (рис.8.1).

При периодическом включении (открытии) и выключении (запирании) ключа-транзистора VT с помощью системы управления СУ обеспечивается подача на вход фильтра последовательности импульсов u _вх(t) с неизменной величиной максимального значения u _вх.max = U_d.

На выходе фильтра (если пренебречь падением напряжения на дросселе) имеет место такое же пульсирующее выходное напряжение u _вых(t).

Рисунок 8.1 - Широтно-импульсный регулятор напряжения (а)

и графики его напряжения (б)

Среднее значение этого напряжения зависит от коэффициента заполнения к _з = t _и/ T

Изменяя с помощью схемы управления СУ соотношение между длительностями времени открытого t _и и закрытого t _п состояний транзистора VT, можно получить различные уровни напряжения U _вых.ср.

Иными словами – регулирование U _вых.ср. осуществляется изменением ширины импульсов.

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения с широтно-импульсным регулированием может быть осуществлен на базе рассмотренного регулятора, если обеспечить автоматическое управление ключевым режимом работы транзистора по цепи обратной связи, чтобы изменением ширины импульсов управления, поступающих на базу VT, компенсировать все колебания среднего значения выходного напряжения ППН U _вых.ср.

Поскольку LC -контур фильтра вместе с диодом VD как бы демодулирует входное импульсное напряжение, обеспечивая заданное среднее (постоянное) значение U _вых.ср., этот контур часто называют “демодулятором” (ДМ).

Процесс преобразования постоянного напряжения в импульсное (пульсирующее) напряжение можно рассматривать как процесс модуляции входного постоянного напряжения импульсами, а устройство, осуществляющее такую модуляцию, можно назвать импульсным модулятором. Если модулируются амплитуда импульсов – это амплитудно-импульсный модулятор (АИМ), если ширина импульсов – это широтно-импульсный модулятор (ШИМ).

Поскольку, как уже отмечено в ИВЭ РЭС, наиболее часто применяются стабилизаторы с ШИМ, рассмотрим принцип работы такого стабилизатора напряжения на уровне его функциональной схемы.

Импульсный стабилизатор напряжения с ШИМ. Функциональная схема ИВЭ-ППН с таким стабилизатором приведена на рис.8.2.

Схема экспонируется на слайде диапроектора или вычерчивается на доске. Излагается состав и назначение элементов, принцип образования ширины импульсов управления и принцип работы такого стабилизирующего ИВЭ-ППН.

Поскольку регулирующим фактором в ключевых стабилизаторах является время t _и, они малочувствительны к воздействию температуры и к изменению параметров транзисторов.

Наряду с описанными достоинствами компенсационным стабилизаторам с регулирующим элементом импульсного действия присущи недостатки, ограничивающие их применение. К недостаткам относятся:

а) большие пульсации выходного напряжения, в результате чего необходимы громоздкие сглаживающие фильтры;

б) недостаточное быстродействие (сказывается реакция стабилизатора лишь через полпериода);

в) плохие параметры при работе на динамическую (импульсную) нагрузку.

Рисунок 8.2 – Импульсный стабилизатор напряжения с ШИМ:

а – функциональная схема;

б – графики формируемых ШИМ импульсов управления различной ширины

Необходимость применения сглаживающего фильтра приводит к тому, что в контур обратной связи оказываются включенными реактивные элементы с большими постоянными времени. Наличие таких инерционных звеньев вызывает значительные фазовые сдвиги в цепи обратной связи, что делает схему стабилизатора неустойчивой. Вследствие этого усиление в цепи обратной связи во избежание самовозбуждения схемы не может быть высоким. Таким образом, ввиду низкого усиления коэффициент стабилизации импульсных стабилизаторов не может быть большим.

Из-за резких отсечек тока при коммутации регулирующего элемента и возможных переходных процессов импульсный стабилизатор является источником высокочастотных помех. Эту особенность следует учитывать при конструировании импульсных стабилизаторов, особенно сильноточных.

Свойственные ключевому режиму особенности делают стабилизаторы напряжения с таким режимом работы наиболее перспективными в случаях, где на первое место выступают требования высокой экономичности и надежности, малых габаритов и малой чувствительности к колебаниям температуры. В первую очередь это относится к разнообразным портативным и переносным устройствам, предназначенным для работы в сложных климатических условиях. Кроме того, такие стабилизаторы могут с успехом применяться при питании нагрузок типа накала радиоламп, где требования к пульсации и выходному сопротивлению имеют второстепенное значение.

Если же от стабилизатора требуется высокая точность стабилизации и быстродействие, а КПД и габариты не играют решающей роли, то предпочтительнее использовать непрерывный режим работы регулирующего элемента.