Импульсный стабилизатор напряжения

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

И́мпульсный стабилиза́тор напряже́ния, или ключево́й стабилизатор напряжения — это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме[1], то есть регулирующий элемент находится или в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, или в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением. Энергия первичного источника питания передаётся на выход стабилизатора определёнными порциями, такими, 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 позволяет значительно снизить потери энергии по сравнению с линейным стабилизатором.

Используются также названия импульсный преобразователь, импульсный источник питания.

Сравнение с линейным стабилизатором[править | править вики-текст]

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:

  • Наличие импульсных помех[2] — как дифференциальных (противофазных), так и помех общего вида (синфазных помех)[3][4].
  • Более высокая нестабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения или тока нагрузки[2].
  • Более длительные переходные процессы (большее время восстановления 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 преобразователя[4][5].

Основные схемы[править | править вики-текст]

В рассматриваемых схемах в качестве ключа S может использоваться полевой транзистор, биполярный транзистор или тиристор. В цепи обратной связи (на схемах не показана), в устройстве управления ключом, может использоваться широтно-импульсная модуляция (ШИМ), частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) или релейное (двухпозиционное) регулирование[6]. Отношение времени замкнутого состояния ключа к сумме периода замкнутого и разомкнутого состояний называется коэффициентом заполнения (или рабочим циклом — англ. duty cycle)[2].

Преобразователь с понижением напряжения[править | править вики-текст]

Buck conventions.svg

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. Вследствие этого даже при отсутствии конденсатора C напряжение на нагрузке R содержит постоянную составляющую и некоторые пульсации, 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[6][7].

Преобразователь с повышением напряжения[править | править вики-текст]

Boost conventions.svg

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. Напряжение на нагрузке всегда больше напряжения источника[6][8].

Инвертирующий преобразователь[править | править вики-текст]

Buckboost conventions.svg

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. Напряжение на нагрузке может быть как больше, так и меньше напряжения источника[6][9].

Замена диода для повышения КПД[править | править вики-текст]

Во всех трёх схемах диод D может быть заменён на ключ[10], замыкаемый в противофазе к основному ключу. Во многих случаях, особенно в низковольтных стабилизаторах, это позволяет увеличить КПД. Такую схему называют синхронным выпрямителем.

Гальваническая развязка[править | править вики-текст]

Если требуется гальваническая развязка входных и выходных цепей импульсного стабилизатора — например, из соображений безопасности при использовании промышленной сети переменного тока в качестве первичного источника питания — то она обеспечивается некоторой модификацией рассмотренных выше основных схем. Введение высокочастотного трансформатора в схему 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[11] 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 обратной связи применяется либо оптрон, либо отдельная обмотка в трансформаторе (или дросселе), либо специальный трансформатор.

Схемы без дросселя[править | править вики-текст]

Важнейшими элементами импульсного источника питания являются ключ — устройство, способное за короткое время изменить сопротивление прохождению тока с минимального на максимальное и наоборот, и интегратор, напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку. Простейшим примером такого элемента может служить конденсатор, перед которым включено некоторое ненулевое сопротивление (в качестве которого может служить, к примеру, внутреннее сопротивление источника питания).

С широтно-импульсной модуляцией[править | править вики-текст]

Структурная схема стабилизатора напряжения с ШИМ

На рисунке изображена структурная схема ключевого стабилизатора напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Когда ключ (1) замкнут, входное напряжение Ui через ключ поступает на интегратор (2). Интегратор накапливает энергию, подаваемую с ключа, и отдаёт её в нагрузку, когда ключ разомкнут. В результате на выходе имеем усреднённое значение напряжения, которое зависит от входного напряжения и скважности импульсов, зависящей от частоты генератора и ёмкости конденсатора. Вычитатель-усилитель на операционном усилителе (4) вычитает из выходного напряжения напряжение сравнения (6) и усиливает разность. Усиленная разница поступает на модулятор (3). В модуляторе компаратор преобразует импульсы генератора (5) в прямоугольные импульсы, отклонение скважности которых от среднего значения, равного 2, пропорционально разности между выходным напряжением и напряжением сравнения. Поэтому ключевой стабилизатор напряжения с ШИМ при малых отклонениях выходного напряжения от напряжения сравнения работает как пропорциональный регулятор (П-регулятор). Обычно генератор выдаёт треугольные или пилообразные импульсы, которые преобразуются в прямоугольные с помощью порогового элемента с регулируемым порогом срабатывания (компаратора). Прямоугольные импульсы с выхода модулятора управляют замыканием и размыканием ключа (1).

При малых отклонениях выходного напряжения от напряжения сравнения скважность близка к 2, а частота работы ключа близка к частоте генератора модулятора. Ключ (транзистор) работает в наиболее благоприятном частотном режиме.

При больших отклонениях выходного напряжения от напряжения сравнения скважность приближается к или к , эквивалентная частота работы ключа в начале или в конце периода приближается к , ключ (транзистор) работает в наихудшем частотном режиме, в котором чаще всего и выходит из строя, затем ключ (транзистор) переходит в благоприятное полностью открытое или полностью закрытое состояние.

С триггером Шмитта[править | править вики-текст]

Структурная схема стабилизатора напряжения с триггером Шмитта

Несколько иначе устроен ключевой стабилизатор напряжения с триггером Шмитта (называемый также релейным или стабилизатором с двухпозиционным регулированием[12]). В нём при замкнутом ключе (1) входное напряжение поступает через ключевой элемент на накопитель (2), а выходное напряжение сравнивается с минимально допустимым напряжением и максимально допустимым напряжением в компараторе (4), который является входной составной частью инвертирующего триггера Шмитта (4)-(3). Как только выходное напряжение превышает максимально допустимое напряжение Umax, инвертирующий триггер Шмитта переключается в «0» и закрывает ключ (1). Накопитель разряжается, пока напряжение на нём не упадёт ниже минимально допустимого напряжения Umin, после чего инвертирующий триггер Шмитта переключается в «1», ключ снова открывается и процесс повторяется.

В середине диапазона стабилизации от Umin до Umax состояние ключа не изменяется.

Напряжения сравнения Umin и Umax формируются из опорного напряжения (5) при применении простого триггера Шмитта без обратной связи простыми делителями напряжения, а при применении более сложного триггера Шмитта с обратной связью более сложными для расчёта Umin и Umax цепями.
Вместо более сложного триггера Шмитта с обратной связью можно применить прецизионный триггер Шмитта без обратной связи (с RS-триггером) c более простыми для расчёта цепями Umin и Umax[13].

Такой стабилизатор прост по конструкции, частота замыкания/размыкания ключа в нём определяется суммой постоянных времени заряда и разряда накопителя (объекта управления) и разницей между максимально допустимым и минимально допустимым напряжениями и при постоянной нагрузке постоянна.

При двухпозиционном регулировании возможно использование не всех видов преобразований: например, невозможно использование описанного выше повышающего преобразователя.

Особенности использования[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Импульсный стабилизатор напряжения является источником высокочастотных помех в связи с тем, что содержит ключи, коммутирующие ток[14]. 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. (Так называемый резонансный преобразователь для реализации такого режима имеет свои недостатки[15][16].) Поэтому в моменты коммутации возникают довольно значительные броски напряжения и тока, порождающие помехи как на входе, так и на выходе стабилизатора. Помехи в проводах различают двух видов — противофазные и синфазные[3]. Для подавления помех соответствующие фильтры устанавливаются как на входе, так и на выходе стабилизатора.

Входное сопротивление[править | править вики-текст]

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].

Использование в сетях переменного тока[править | править вики-текст]

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

Описанное выше решение предполагает наличие некоторого количества элементов, установленных до развязывающего трансформатора, а значит, гальванически связанных с входными цепями. Эта часть, гальванически связанная с электрической сетью, обычно выделяется на платах либо штриховкой, либо чертой на слое сеткографической маркировки, или даже особой окраской, которая предупреждает человека о потенциальной опасности прикосновения к частям, расположенным в ней. 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[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. ГОСТ 23413-79 «Средства вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения» Средства вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения
  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 (ru-ru). lib.rosenergoservis.ru. Проверено 19 августа 2017.
  4. 1 2 3 Жданкин В. Подавление электромагнитных помех во входных цепях преобразователей постоянного напряжения
  5. 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.)
  6. 1 2 3 4 8.4. Импульсные стабилизаторы. riostat.ru. Проверено 16 августа 2017.
  7. issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Понижающий преобразователь — Стр. 128
  8. issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Повышающий преобразователь — Стр. 129
  9. issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Инвертирующий повышающий преобразователь — Стр. 130
  10. Как, например, в микросхеме TPS54616.
  11. The Flyback Converter - Lecture notes - ECEN4517 - Department of Electrical and Computer Engineering - University of Colorado, Boulder.
  12. В.В. Китаев и др. Электропитание устройств связи. — М.: Связь, 1975. — С. 196—207. — 328 с. — 24 000 экз.
  13. Ключевой стабилизатор напряжения на прецизионном триггере Шмитта с RS-триггером
  14. issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Первичный источник питания — Подавление радиопомех — Стр. 147
  15. Источники питания — Раздел 16. Импульсные источники питания — Схемы управления — Резонансные контроллеры, стр. 145 //issh.ru
  16. Авторская страница Б. Ю. Семенова

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]