Загрузка...Импульсный стабилизатор напряжения; принцип работы стабилизатора
Импульсный стабилизатор напряжения — принцип работы стабилизатора
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.
- Большая нагрузка, во время которой стабилизатор отсекает токи.
- Режим зарядки, когда прибор работает с минимальной нагрузкой и пропускает ток.
Импульсный стабилизатор напряжения, схема которого очень проста, способен увеличивать величину напряжения, напрямую зависящую от объёма накапливаемой энергии. Если запасы такой энергии начинают падать, то снижается и само напряжение.
При помощи специального интегрирующего элемента, расположенного в стабилизаторе, стало возможно существенное снижение энергетических потерь, веса и размера самого устройства регулирования.
Стоит помнить, что для стабильной работы оборудования необходимо производить периодический контроль их состояния и замеры (сроки измерения сопротивления заземляющего устройства оговорены в ПУЭ и определяются, исходя из графика ППР).
Как сделать стабилизатор тока для светодиодов самостоятельно
Изготовление стабилизатора для светодиодов своими руками осуществляется несколькими способами. Новичку целесообразно работать с простыми схемами.
На основе драйверов
Понадобится выбрать микросхему, которую трудно выжечь – LM317. Она будет выполнять роль стабилизатора. Второй элемент – переменный резистор с сопротивлением в 0,5 кОм с тремя выводами и ручкой регулировки.
Сборка осуществляется по следующему алгоритму:
- Припаять проводники к среднему и крайнему выводу резистора.
- Перевести мультиметр в режим сопротивления.
- Замерить параметры резистора – они должны равняться 500 Ом.
- Проверить соединения на целостность и собрать цепь.
На выходе получится модуль с мощностью 1,5 А. Для увеличения тока до 10 А можно добавить полевик.
Стабилизатор для автомобильной подсветки
Для работы потребуется линейный прибор в виде микросхемы L7812, две клеммы, конденсатор 100n (1-2 шт.), текстолитовый материал и трубка с термоусадкой. Изготовление производится пошагово:
- Выбор схемы под L7805 из даташита.
- Вырезать из текстолита нужный по размеру кусок.
- Наметить дорожки, делая насечки отверткой.
- Припаять элементы так, чтобы вход был слева, а выход – справа.
- Сделать корпус из термотрубки.
Стабилизирующее устройство выдерживает до 1,5 А нагрузки, монтируется на радиатор.
В качестве радиатора задействуется кузов машины за счет соединения центрального вывода корпуса с минусом.
Работа стабилизаторов тока
Минимальное количество функциональных элементов в схемах этой категории подразумевает разумную стоимость. При выборе такого варианта нетрудно изучить рабочие режимы, особенности настройки.
Особенности полевых структур
В радиотехнических приборах этого типа p-n переходы расположены особым образом. Для регулировки прохождения тока через центральный канал изменяются напряжение и соответствующее электромагнитное поле. Разницу потенциалов создают на стоке и затворе.
На рисунке показаны принципиальные отличия, по сравнению с биполярным транзистором. При использовании полевой структуры управляющий ток отсутствует, а входное сопротивление становится значительно больше. При такой схеме прибор потребляет минимум энергии, но не способен обеспечить усиление сигнала. Впрочем, для решения обозначенной задачи (стабилизации) увеличивать напряжение не нужно.
Принцип управления переходом
В области между зонами р типа формируется канал. Для прохождения тока создается разница потенциалов «сток-исток». Управляют переходом изменением напряжения «затвор-исток» – Uзи.
Схемы управляющих устройств
Повышающие
Повышающие импульсные схемы стабилизации востребованы при необходимости подключения нагрузки, напряжение на которой должно превышать входной параметр на какую-то величину. При этом гальванической развязки между потребителем и питающей электрической сетью 220 Вольт не предусматривается. За рубежом этот принцип преобразования называется «boost converter», а его схема приводится на рисунке, размещённом ниже по тексту.
При поступлении управляющего напряжения между затвором и истоком транзистора VT1 он входит в состояние насыщения, обеспечивая беспрепятственное протекание тока через накопительный дроссель L1. При этом составляющая выходного тока создаётся за счёт зарядки конденсатора С1.
После снятия потенциала с транзистора VT1 он переходит в состояние отсечки; при этом на дросселе L1 появляется ЭДС самоиндукции, передающаяся через диод VD1 на нагрузку с той же полярностью. По окончании протекания тока по дросселю L1 катушка полностью отдаёт энергию в цепь. Её принимает конденсатор С1, который заряжается до тех пор, пока транзистор VT1 снова не окажется в насыщении.
Далее весь описанный процесс повторяется. Повышенное напряжение на нагрузке обеспечивается тем, что к выходному напряжению добавляется ЭДС, систематически запасаемая в дросселе и имеющая тот же знак.
Понижающий стабилизатор
Понижающий стабилизатор работает по тому же принципу, но только дроссель в этом случае включается после управляемого полевого транзистора (смотрите рисунок ниже).
Зарубежное название этого принципа преобразования – «chopper», а его характерной особенностью является пониженное выходное напряжение.
После подачи управляющего импульса на VT1 транзистор насыщается, вследствие чего через него начинает течь ток, поступающий через сглаживающий дроссель L1 непосредственно в нагрузку (диод VD1 закрыт обратным напряжением).
После снятия входного сигнала ключевой транзистор перейдёт в режим отсечки, что приведёт к резкому снижению тока. ЭДС самоиндукции дросселя L1 будет усиленно препятствовать его уменьшению, поддерживая процесс в нагрузке. Однако за счёт падения напряжения на катушке L1 его величина на выходе устройства будет всегда меньше входного значения (за счёт противоположного знака ЭДС).
Инвертирующее устройство
Этот тип стабилизаторов применяется при работе с нагрузками, имеющими фиксированный вольтаж выходного напряжения, сдвинутого по фазе относительно входного. При этом само его значение может быть как больше, так и меньше, чем входное (всё зависит от того, как было отстроено инвертирующее устройство).
Аналогично обеим предыдущим схемам здесь гальваническая развязка питающих и выходных цепей полностью отсутствует. На иностранном лексиконе такие стабилизаторы обозначаются как «buck-boost converter». Основное схемное отличие от понижающего преобразователя состоит в том, что дроссель и диод в этом случае поменялись местами. Причём полупроводниковый элемент включается в обратном (закрытом для прямого тока) направлении.
Такая замена приводит к сдвигу по фазе между входным и выходным сигналами на 90 градусов (иными словами – к его инверсии).
В заключительной части этого обзора обратим внимание на ещё одну деталь, характерную для всех рассмотренных разновидностей преобразующих устройств. В качестве коммутирующего ключа во всех схемах используется специальный полупроводниковый элемент с полевой структурой, управляемый не напряжением, а потенциалом. За счёт этого удаётся многократно сократить входные управляющие токи, а также дополнительно повысить КПД всего устройства в целом.
Особенности использования
Фильтрация импульсных помех
Импульсный стабилизатор напряжения является источником высокочастотных помех в связи с тем, что содержит ключи, коммутирующие ток [10] . Сложно подобрать такой режим работы ключей, чтобы коммутация происходила в моменты, когда через ключ не протекает ток при размыкании, или на ключе нулевое напряжение при замыкании. Поэтому в моменты коммутации возникают довольно значительные броски напряжения и тока, распространяющиеся как на вход, так и на выход стабилизатора. Для поглощения помех помехоподавляющие фильтры устанавливаются как на входе, так и на выходе стабилизатора.
Использование в сетях переменного тока
Рассмотренные импульсные преобразователи напряжения преобразуют постоянный ток на входе в постоянный ток на выходе. Для питания устройств от сети переменного тока необходимо устанавливать на входе выпрямитель и сглаживающий фильтр. Стоит отметить, что импульсный стабилизатор напряжения под нагрузкой имеет отрицательное дифференциальное сопротивление: при повышении напряжения на входе для сохранения выходного напряжения уменьшается входной ток, и наоборот. Если подключить такой стабилизатор через мостовой выпрямитель в сеть переменного тока, он станет источником нечётных гармоник [11] . Поэтому, чтобы обеспечить достаточный коэффициент мощности, требуется компенсатор.
Гальваническая развязка
Стоит отметить некоторые особенности импульсных стабилизаторов с точки зрения гальванической развязки цепей:
Заключение
В этой статье мы рассмотрели несколько вариантов стабилизирующих девайсов для авто. Разумеется, такие схемы всегда можно при необходимости модернизировать, способствуя повышению показателя быстродействия и т.д. Имейте в виду, что если нужно, вы всегда можете использовать специально разработанные микросхемы в качестве регулятора. Также при возможности можно самостоятельно производить достаточно мощные регулирующие компоненты, но таких варианты более актуальны для того, чтобы решать определенные задачи.
Как вы видите, разработка схемы — дело достаточно сложное и кропотливое, к нему нельзя просто так подойти, не имея соответствующего опыта. Отсутствие определенных навыков не позволит получить необходимый результат. Чтобы своими руками сделать такую схему для авто, необходимо внимательно выполнять все действия, описанные выше.
