Импульсные стабилизаторы напряжения
Импульсные ИСН обладают по сравнению с линейными рядом преимуществ. КПД их несравненно выше, так как благодаря использованию ключевого режима работы регулирующего транзистора средняя рассеиваемая на нем мощность оказывается значительно ниже, чем в линейном стабилизаторе. Малые тепловые потери позволяют во многих случаях отказаться от применения теплоотводов или существенно уменьшить их габариты. Кроме того, наряду с обычным режимом понижения входного напряжения, импульсные ИСН могут работать в режиме его повышения и инвертирования.
Рассмотрим принцип действия понижающего, повышающего и инвертирующего стабилизаторов напряжения, упрощенные структурные схемы силовой части которых изображены соответственно на рис. 17.10 а, б, в.
Регулирующий транзистор VT переключается с определенной частотой устройством управления (УУ) из состояния насыщения в состояние отсечки. В узле накопления энергии, содержащим катушку индуктивности L и конденсатор С, импульсы преобразуются в постоянное напряжение, величина которого зависит от скважности и частоты управляющих импульсов, которые, в свою очередь, определяются разностью между опорным и фактическим выходным напряжением. Управляющие импульсы переменной скважности формируются в УУ специальной схемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Для понижающего стабилизатора, когда VT находится в состоянии насыщения, диод VD закрыт, через катушку L течет линейно возрастающий ток, и в это время происходит накопление энергии и заряд конденсатора С. Когда VT переходит в состояние отсечки, ток через катушку начинает уменьшаться, полярность напряжения на ней изменяется за счет самоиндукции, открывается диод, и катушка становится источником питания нагрузки. Затем процесс повторяется. Работа стабилизатора поясняется временными диаграммами, изображенными на рис.17.11. Постоянная составляющая напряжения на выходе зависит от соотношения времени запертого и открытого состояний транзистора VT, т.е. от скважности импульсов на выходе УУ.
Стабилизация выходного напряжения осуществляется следующим образом. Возьмем для примера, что входное напряжение увеличилось. В первый момент выходное напряжение также будет увеличиваться. В этом случае УУ уменьшает длительность импульса, при котором транзистор VT открыт. В этом случае постоянная составляющая выходного напряжения уменьшается, т.е. происходит его стабилизация.
Рис.17.10. Структурная схема понижающего (а), повышающего (б) и инвертирующего (в) импульсных стабилизаторов напряжения
Рис.17.11. Временные диаграммы работы понижающего импульсного стабилизатора напряжения
Аналогично работают повышающий и инвертирующий стабилизаторы с той разницей, что благодаря другому порядку включения катушки, диода и транзистора в повышающем стабилизаторе выходное напряжение остается суммой входного напряжения и напряжения на катушке, а в инвертирующем – напряжение на катушке, приложенное к выходу стабилизатора через диод, получается отрицательным.
Существуют также импульсные стабилизаторы напряжения, в которых в качестве узла накопления энергии используется импульсный трансформатор. Достоинство таких стабилизаторов, а точнее преобразователей напряжения (они могут быть как повышающими, так понижающими и инвертирующими) – гальваническая развязка между источником входного напряжения и нагрузкой, и возможность получения нескольких выходных напряжений. Принцип работы такого преобразователя, получившего название обратноходового, рассмотрим по упрощенной структурной схеме, изображенной на рис.17.12.
Рис. 17.12. Структурная схема обратноходового импульсного
стабилизатора напряжения
Обмотки трансформатора фазированы таким образом, что когда транзистор VT находится в состоянии насыщения и через первичную коллекторную обмотку течет линейно нарастающий ток, полярность напряжения на диоде обратная, и ток через вторичную обмотку не идет. Происходит накопление энергии в трансформаторе. Когда VT переходит в состояние отсечки, полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется, открывается диод, и через нагрузку начинает течь ток, который поддерживается зарядом конденсатора С. Нетрудно заметить, что работа обратноходового преобразователя аналогична работе инвертирующего стабилизатора (рис.17.10, в). Импульсный трансформатор может иметь несколько вторичных обмоток с соответствующим образом включенными диодами, и таким образом становится возможным получение двух и более (в том числе разнополярных) выходных напряжений.
Определенным недостатком импульсных стабилизаторов по сравнению с линейными является наличие у них переменной составляющей тока нагрузки, поэтому импульсные ИСН не применяют в аналоговых устройствах со слабыми сигналами, или же используют совместно с линейными стабилизаторами.
Практически все современные импульсные стабилизаторы содержат регулирующий транзистор VT (биполярный или МОП) и устройство управления, а диод, катушка и конденсаторы являются внешними элементами. Типовая структурная схема устройства управления с ШИМ изображена на рис.17.13 и содержит такой же, как и в линейном стабилизаторе ИОН и усилитель ошибки DA1, выход которого подключен к одному из входов компаратора напряжения DA2.
Рис.17.13. Структурная схема устройства управления ИСН
На другой вход компаратора подается пилообразное напряжение от специального генератора ГЛИН. В результате на выходе компаратора получаются импульсы переменной скважности, определяемой разностью между опорным напряжением и частью выходного напряжения, подаваемого на усилитель DA1с резистивного делителя R1, R2. Эти импульсы усиливаются буферным усилителем и подаются на базу регулирующего транзистора. Для стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением резистивный делитель устанавливается внутри микросхемы, для стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением применяют внешний делитель, сопротивления резистора которого определяют величину выходного напряжения. Диод VD должен иметь малое прямое падение напряжения и минимальное время переключения, поэтому обычно используются диоды Шоттки.
В качестве примера реализации на рис.17.14 приведена принципиальная схема импульсного стабилизатора напряжения на ИМС LM2594-5.0. Стабилизатор имеет всего четыре внешних элемента и полностью соответствует типовой схеме понижающего стабилизатора вместе с устройством управления.
Рис.17.14. Принципиальная схема понижающего стабилизатора напряжения