интернет-магазин светодиодного освещения
Пн - Вс с 10:30 до 20:00
Санкт-Петербург, просп. Энгельса, 138, корп. 1, тк ''Стройдвор''

Импульсный стабилизатор напряжения. Стабилизатор напряжения импульсный


Импульсный стабилизатор напряжения его назначение и сфера применения

Использование различного рода техники в повседневной жизни –это непременный атрибут современного общества. Но далеко не все приборы рассчитаны на подключение к стандартной электросети на 220В. Многие из них потребляют энергию с напряжением от 1 до 25В. Для ее подачи используют специальное оборудование.

Однако его основная задача состоит не столько в понижении параметров на выходе, сколько в соблюдении стабильного их уровня в сети. Решить ее можно при помощи стабилизационного устройства. Но как правило такие приборы достаточно громоздки и не совсем удобны в применении. Лучший вариант – это импульсный стабилизатор напряжения. Он отличается от линейных не только габаритами, но и по принципу работы.

Что представляет собой импульсный стабилизатор

Прибор, состоящий из двух основных узлов:

  • Интегрирующего;
  • Регулировки.

На первом происходит накапливание энергии с последующей ее отдачей. Регулирующий блок подает ток и при необходимости выполняет прерывание этого процесса. Причем, в отличие от линейных моделей, в импульсных, этот элемент может находиться в замкнутом или разомкнутом состоянии. Иными словами, он работает как ключ.

Устройство прибора

Устройство импульсного прибора

Сфера применения таких приборов достаточно широка. Однако наиболее часто они используются в навигационном оборудовании, а также импульсный стабилизатор следует купить для подключения:

  • ЖК телевизоров
  • Источников питания, используемых в цифровых системах;
  • Низковольтного промышленного оборудования.

Могут использоваться импульсные повышающие стабилизаторы напряжения и в сетях с переменным током для преобразования его в постоянный. Приборы этого класса также находят применение в качестве источников питания для мощных светодиодов, подзарядки аккумуляторов.

Как работает оборудование

Принцип действия устройства заключается в следующем. При замыкании регулирующего элемента происходит накопление энергии в интегрирующем. При этом происходит повышение напряжения. При размыкании ключа электричество постепенно отдается потребителям, приводя к снижению напряжения.

Смотрим видео, принцип работы прибора:

Столь простой способ функционирования прибора позволяет экономно расходовать электроэнергию, а кроме того дал возможность создать миниатюрный агрегат.

В качестве регулирующего элемента в нем могут использоваться следующие детали:

  • Тиристор;
  • Транзисторы.

В роли интегрирующих узлов прибора выступают:

  • Дроссель;
  • Батарея;
  • Конденсатор.

Конструктивные особенности стабилизатора связаны со способом его работы. Различают устройства двух типов:

  1. ШИМ;
  2. С триггером Шмитта.

Рассмотрим, чем отличаются эти две разновидности импульсных стабилизаторов напряжения.

Модели ШИМ

Регулятор мощности ШИМ

Модель ШИМ

Приборы этого типа, в конструктивном плане имеют некоторые отличия. Они состоят из двух основных элементов, а также:

  1. Генератора;
  2. Модулятора;
  3. Усилителя.

Их работа имеет прямую зависимость от величины напряжения на входе, а также скважности импульсов.

При размыкании ключа происходит переход энергии в нагрузку и в работу включается усилитель. Он сравнивает значения напряжения и определив разницу между ними передает усиление на модулятор.

Конечные импульсы должны иметь отклонение скважности, которое пропорционально выходным параметрам. Ведь от них зависит положение ключа. При конкретных значения скважности он размыкается или замыкается. Поскольку главную роль в работе прибора играют импульсы, то они и дали ему название.

Приборы с триггером Шмитта

Этот тип импульсных стабилизаторов напряжения отличается минимальным набором элементов. Главная роль в нем отведена триггеру, в состав которого включен компаратор. Задача этого элемента – сравнение значения выходного напряжения с максимально допустимым.

Смотрим видео принцип работы прибора с триггером Шмитта:

Работа прибора заключается в следующем. При превышении максимального напряжения происходит переключение триггера в нулевую позицию с размыканием ключа. Одновременно происходит разрядка дросселя. Но как только напряжение достигнет минимального значения происходит переключение с 0 на 1. Это приводит к замыканию ключа и поступлению тока в интегратор.

Хотя такие устройства и отличаются довольно простой схемой применять их можно только на отдельных направлениях. Объясняется это тем, что импульсные стабилизаторы напряжения могут быть понижающими или повышающими.

Классификация приборов

Подразделение приборов на типы осуществляется по различным критериям. Так по соотношению напряжения на входе и выходе различают следующие виды устройств:

  • Инвертирующие;
  • Произвольно изменяющие напряжение.

В качестве ключа могут использоваться такие детали, как:

  • Транзисторы;
  • Тиристоры.

Кроме этого существуют отличия и в самой работе импульсных стабилизаторов постоянного напряжения. Исходя из этого они классифицируются на модели, функционирующие на:

  1. На основе широтно-импульсной модуляции;
  2. Двухпозиционные.

Достоинства и недостатки стабилизаторов

Импульсный модульный стабилизатор

Модульный стабилизатор

Как и любое другое устройство модульный стабилизатор не является идеальным. Он имеет свои плюсы и минусы, о которых следует знать. К достоинствам прибора относятся:

  • Легкое достижение стабилизации;
  • Высокий КПД;
  • Выравнивание напряжения в широком диапазоне;
  • Устойчивые выходные параметры;
  • Компактные габариты;
  • Мягкое включение.

К недостаткам устройства относится в первую очередь сложное конструктивное исполнение. Наличие в нем большого количества специфических элементов не позволяет добиваться высокой надежности. Кроме того, минусом импульсного стабилизатора постоянного напряжения является:

  • Создание большого числа частотных помех;
  • Сложность выполнения ремонтных работ;
  • Потребность в применении устройств, компенсирующих коэффициент мощности.

Допустимый диапазон частот

Работа этого устройства возможна при достаточно высокой частоте преобразования, что является его главным отличием от приборов с сетевым трансформатором. Повышение этого параметра позволило добиться минимальных габаритов.

Для большинства моделей диапазон частот может составлять от 20 до 80 кГц. Однако выбирая как ключевые, так и ШИМ-приборы нужно учитывать высшие гармоники токов. При этом верхнее значение параметра имеет определенные ограничения, соответствующие требованиям, предъявляемым к радиочастотной аппаратуре.

Применение устройств в сетях переменного тока

Приборы этого класса способны преобразовывать постоянный ток на входе в такой же на выходе. Если предполагается использовать их в сети переменного тока, то потребуется установка выпрямителя и сглаживающего фильтра.

Однако следует знать, что с ростом напряжения на входе устройства уменьшается выходной ток и наоборот.

Возможно подключение стабилизатора с использованием мостового выпрямителя. Но в таком случае он будет источником нечетных гармоник и для достижения необходимого коэффициента мощности потребуется использование конденсатора.

Обзор производителей

Выбирая стабилизатор, обращают внимание не только на его технические характеристики, но и на конструктивные особенности. Важна и марка производителя. Вряд ли будет иметь высокое качество прибор, изготовленный не известной широкому кругу покупателей фирмой.

Smartmodule EK-SCV0033

Продукция Smartmodule

Поэтому большинство потребителей предпочитают выбирать модели, принадлежащие популярным брендам, таким как:

Продукция этих компаний отличается высоким качеством, надежностью и рассчитана на длительный срок службы.

Заключение

Использование бытовой техники и других электроприборов стало неотъемлемым условием комфортной жизни. Но для того, чтобы ваши устройства не выходили из строя при нестабильной работе электросетей, стоит заранее подумать о приобретении стабилизатора. Какую модель выбрать зависит от параметров используемого оборудования. Если предполагается подключение современных ЖК телевизоров, мониторов и аналогичных устройств, то идеальный вариант – это импульсный стабилизатор.

generatorvolt.ru

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 крышкойA — 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

wikiredia.ru

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[ | код]

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].

ru-wiki.ru

Импульсный стабилизатор напряжения — Википедия РУ

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 крышкойA — 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

http-wikipediya.ru

Импульсный стабилизатор напряжения | Предназначение, особенности, конструкция, схема – на промышленном портале Myfta.Ru

Импульсный стабилизатор напряженияИмпульсный стабилизатор напряжения — это устройство, которое несет на себе функцию получения стабильного напряжения для работы электрических приборов без сбоев и перегрузок.

Импульсная понижающая модель чаще всего используется при получении электроэнергии от альтернативных электрических сетей.

Выходное напряжение регулируется с использованием ДИП-переключателя. Плавность регулировки достигается применением переменного резистора и позволяет довольно точно задать значение напряжения на выходе устройства. Это важно при таком процессе, например, как зарядка литиевого аккумулятора.

Ограничитель по току делает безопасной зарядку любых аккумуляторов и других маломощных потребителей напряжения. Для питания светодиодов также можно устанавливать импульсный стабилизатор напряжения 12В между сетью и светодиодом.

В основу конструкции этого устройства положена работа импульсного понижающего преобразователя. Такой преобразователь позволяет получить достаточно высокий КПД. Особенно важен этот момент при использовании прибора для солнечных батарей. Мощность, которую вырабатывают солнечные батареи, невелика, и необходимо преобразовывать эту энергию с минимальными потерями. Разница между входным и выходным напряжением составляет 0,5 В.

Внешний вид импульсного стабилизатора напряженияДжампер тока, который находится в устройстве, обеспечивает максимальный ток на выходе. Это важно, поскольку малые токи используют при зарядке мобильных телефонов, плееров, планшетных компьютеров и другой маломощной техники. При помощи джампера можно управлять порогом входного напряжения и установить его значение на таком уровне, что ниже него устройство не заработает.

Устанавливается выходное напряжение заданного значения с помощью переключателя, который имеет 4 позиции. Три из них обеспечивают фиксированное напряжение, а четвертая позволяет пользователю установить напряжения в диапазоне 3-15 В. Сделать это позволяет переменный резистор.

Светодиод импульсного стабилизатора напряжения, расположенный на плате около разъёма, оповещает о наличии выходного напряжения на разъёме. Оно может быть задано в пределах 3-16В. Находящаяся в приборе термозащита препятствует его перегреву при питании.

Срабатывает она, как только температура в корпусе достигает отметки 80 градусов по Цельсию. Если оставить устройство на солнце, то оно может перегреться и сработает защита, отключающая вход. Нормальная рабочая температура такого прибора -30 до +60 градусов. Он должен быть надежно защищен от влаги. Его плата, конечно, имеет защитное влагостойкое покрытие, но все же параметры выходного напряжения при попадании влаги могут быть изменены. На стабилизаторы обычно распространяется гарантия 6 месяцев со дня приобретения.

В таких областях техники, как телефония, используются схемы электропитания, имеющие общий плюс. Это достаточно нестандартная ситуация, так как обычно применяется общий минус. Еще один интересный момент в электротехнике это создание мощных импульсных стабилизаторов напряжения.

На рисунке ниже представлена схема импульсного стабилизатора напряжения, рассчитанного на мощность 1,2 кВт и более.

Схема импульсного стабилизатора напряженияПри составлении схемы этого устройства с общим плюсом, автор дал обзор всех микросхем, которые работают в блоке питания.

Выбирались микросхемы по такому принципу и параметрам:

  1. В микросхеме должна присутствовать возможность регулировки режимов стабилизации по напряжению;
  2. Микросхема должна быть способна работать в схемах с общим плюсом;
  3. Цена микросхемы и доступность ее приобретения.

В конечном результате выбор был остановлен на микросхеме TL494 (аналог отечественного производителя КМ1114ЕУ4). Эта микросхема соответствует критериям отбора, перечисленным выше.

myfta.ru

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[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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.

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[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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.

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.
Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкойA — 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 код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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.

  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

ru.wikiyy.com

Импульсный стабилизатор напряжения — википедия орг

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 крышкойA — 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

www-wikipediya.ru


Каталог товаров