Принцип работы импульсного стабилизатора напряжения

Импульсный стабилизатор напряжения – это устройство, обладающее высоким коэффициентом полезного действия и незначительно выделяющее тепло. Он может создавать нагрузочный ток в широких пределах и при этом не обладает значительным весом и габаритами.

Общая информация

Что он собой представляет? Стабилизатор может выполнять свой функционал благодаря изменению продолжительности импульсов. Кроме этого доступна функция управления их частотой. Благодаря этому выделяют так называемое широтное регулирование. Еще оно называется частотно-импульсным. Это значит, что устройства работают в комбинированном режиме. На выходе стабилизатора напряжение представлено в виде пульсации. Поэтому оно не подходит для того, чтобы питать потребитель. Прежде чем подавать питание, его необходимо выровнять. Для этой цели используются емкостные фильтры. Для вычисления средней величины напряжения используется четыре параметра:

• продолжительность периода;
• сопротивление потребителя;
• продолжительность импульса;
• идущий ток по нагрузке (в амперах).

В зависимости от индуктивности он может перестать течь по фильтру до начала следующего импульса. В таком случае говорят о том, что он переменный. Если он и дальше протекает, то ток является постоянным. Если импульсы незначительны, то лучше выбрать переменный. Но при существовании повышенной чувствительности подойдет только постоянный ток (это и оборачивается значительными потерями в проводах и обмотке дросселя).

Строение прибора

Итак, теперь известно, что собой представляет импульсный стабилизатор напряжения. Принцип работы этого устройства связан с его строением. Прибор состоит из:

• выравнивающего фильтра (он корректирует импульс напряжения на выходе);
• устройства преобразования;
• генератора;
• сравнивающего устройства (оно подает сигналы разности между входом и выходом).

Как осуществляется работа?

Всегда возможна ситуация, когда используется только два элемента: преобразователь и фильтр. Однако стоит учитывать, что на практике длительное функционирование без устройства сравнения и задающего генератора не идет. Причем, два последние используются для корректировки процесса работы. Поэтому работают все четыре составные части. При этом напряжение, что формируется на выходе, передается на сравнивающее устройство. Оно сопоставляет его с базовым значением. Таким образом формируется пропорциональный сигнал. Он передается непосредственно на генератор.

Принципиальная специфика устройства

Рассматривая работу импульсного стабилизатора напряжения особенно следует отметить процесс регулирования. Осуществляется он с помощью генератора. В нем разностный аналоговый сигнал преобразовывается в пульсации, обладающие переменной продолжительностью и постоянной частотой. Но, так происходит не всегда. Если предусмотрена возможность частотно-импульсного регулирования, то их продолжительность является постоянным значением. Работа генератора зависит от свойств передаваемого сигнала. Созданные им импульсы передаются на элементы преобразователя. При этом транзистор регулирования функционирует в режиме ключа. Изменив интервал или частоту импульсов можно поменять нагрузочное напряжение. Все зависит от свойства управляющих импульсов. Если устройство построено на релейном принципе, то стабилизирующий сигнал создается с помощью триггера. Давайте рассмотрим этот вариант более подробно.

Релейный принцип работы

Функционирование импульсного стабилизатора напряжения в данном случае выглядит следующим образом: на транзистор, что выступает в роли ключа, подается постоянное напряжение. Он открывается. Напряжение на выходе повышается. Сравнивающее устройство начинает определять сигнал разности. При достижении определенного верхнего предела меняется состояние триггера. В результате осуществляется коммутация регулирующего транзистора на отсечку. После этого напряжение на выходе будет уменьшаться. В случае, если оно дойдет до нижнего предела, то сравнивающее устройство опять определит сигнал разности, поменяется состояние триггера. Транзистор снова войдет в насыщение. Разность потенциалов начнет повышаться, как и напряжение на выходе. Будет сразу же запущен процесс выравнивания.

Настраивается предел срабатывания для триггера благодаря корректировке амплитуды значений напряжения на используемом сравнивающем устройстве. И так постоянно будет идти замкнутый цикл. Импульсный стабилизатор напряжения тока релейного типа обладает повышенной скоростью, что отличает его от приборов, в которых используется широтное и частотное регулирования. Данный факт является их самым значительным преимуществом. Но такой подход всегда обеспечивает импульсы на выходе прибора. Это недостаток.

Что собой представляет импульсный повышающий стабилизатор напряжения?

И где они применяются? Такие устройства жизненно необходимы в случае нагрузок, разница которых больше, нежели напряжение на выходе приборов. Как они работают? В стабилизаторе не предусматривается гальваническая изоляция питания и нагрузки. Первоначально вступает в насыщение транзистор. Затем ток идет по цепи по накопительному дросселю от положительного полюса. При этом копится энергия в магнитном поле. Нагрузочный ток может привести к разряду емкости используемого конденсатора. А что будет, если отключить выключающее напряжение с транзистора? При этом он перейдет в положение отсечки. В результате на дросселе возникнет электродвижущая сила самоиндукции.

Также возникнет последовательная коммутация с напряжением входа и движение в сторону потребителя. Это значит, что ток будет идти по нашей катушке индуктивности (дросселю). В этот момент ее магнитное поле будет выдавать энергию. Следует отметить, что емкость конденсатора будет ее резервировать, чтобы поддерживать напряжение после того, как транзистор войдет в режим насыщения. Следует учитывать, что дроссель необходим для резервной энергии, поэтому в фильтре питания он работать не должен.

Стабилизатор с использованием триггера Шмитта

Это самый простой вариант устройства. Для него характерен наименьший набор компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер, в состав которого входит компаратор. Основной его задачей является сравнение выходной разности потенциалов с максимально допустимым значением. Принцип действия такого устройства заключается в том, что при увеличении напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноль. Это сопровождается размыканием электронного ключа. И в одно время должен разряжаться только дроссель. Когда напряжение на нем будет доходить до наименьшего значения, то осуществляется коммутация на единицу. Ключ замыкается и ток проходит.

Следует отметить, что подобные устройства являются довольно простыми, однако используются они только в отдельных случаях.

Что собой представляет понижающий импульсный стабилизатор напряжения?

Устройства этого типа являются мощными и компактными приборами питания. Они обладают низкой чувствительностью к наводкам потребителя, постоянным напряжением одного значения. При этом, гальваническое изолирование входа и выхода практически отсутствует. Выходное питание таких устройств всегда меньше входного напряжения.

Собрать своими руками импульсный стабилизатор напряжения такого типа довольно просто. Если кратко, то принципиальная схема выглядит следующим образом: подключается напряжение, что используется для управления истоком и затвором транзистора. Он должен перейти в положение насыщения. Проходит ток от положительного полюса к выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении он не протекает. При отключении управляющего напряжения выключается ключевой транзистор. После этого он пребывает в положении отсечки. Электродвижущая сила индукции выравнивающего дросселя преграждает путь для изменения тока, идущего по цепи. При этом он проходит через нагрузку, идет по общему проводнику и возвращается на дроссель. В результате понижается уровень напряжения.

Инвертирующий стабилизатор

Это устройство применяется для обслуживания потребителей с постоянным напряжением. Его особенностью является то, что полярность конструкции противоположна направлению разности потенциалов на выходе устройства. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения может показывать значения и выше, и ниже того, что есть в сети питания. Это зависит от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция для сети питания и нагрузки не предусмотрена.

Как же работает такое устройство? Первоначально необходимо подключить управляющую разность потенциалов. Это открывает транзистор между затвором и истоком. Он откроется, и начнет поступать ток от плюса к минусу. При этом дроссель будет резервировать энергию благодаря магнитному полю. При отключении разности потенциалов управления от ключа транзистора он будет закрываться. При этом резервная энергия конденсатора и магнитного поля расходуется для нагрузки.

О преимуществах и недостатках

Отвлечемся от конкретных конструкций, и неважно, что у нас есть: импульсный стабилизатор высокого напряжения или низкого, мы рассмотрим, что же они собой представляют в общих чертах с позиции сильных и слабых сторон. Итак, преимущества:

• несложно достичь выравнивания;
• компактные размеры;
• широкий интервал для стабилизации;
• высокий коэффициент полезного действия;
• устойчивость выходного напряжения;
• плавное подключение.

Увы, не обошлось без недостатков, среди них можно выделить следующие нюансы:

• сложная конструкция;
• наличие большого количества специфических компонентов, что негативно сказывается на надежности конструкции;
• приборы сложно ремонтировать;
• образовывается много помех для выбора необходимой частоты;
• часто возникает потребность использовать компенсирующие устройства мощности.

Заключение

При создании конструкции, несмотря на то, что она не самая легкая, можно вносить коррективы. Благо, при наличии опыта это не так уж и сложно. Хочется создать регулируемый импульсный стабилизатор напряжения, который будет работать в различных диапазонах? Это возможно. Но необходимо хорошо подумать над тем, как же это реализовать. Добавить диод, информирующий световым сигналом о работе устройства? Проще простого! Рассмотренные схемы несложно усовершенствовать, достаточно только проявить терпение, усидчивость и понимание того, что следует делать.