Меню

Импульсными стабилизаторами напряжения повышающего типа

Импульсный стабилизатор напряжения

Преобразование напряжения необходимо для того, чтобы реализовать возможность работы различных устройств от сети переменного тока. Кроме того, питание электронных схем разными величинами напряжения вынуждает выполнять не только превращение переменного электричества в постоянное, но и повышение или понижение разности потенциалов до нужных параметров.

Импульсный преобразователь напряжения

Основы импульсного преобразования

Работа подобных устройств, их ещё называют импульсными стабилизаторами (ИС), основана на ключевой стабилизации. В схеме имеется элемент, который выполняет регулировку выходных параметров за счёт своего запирания-отпирания.

В обычную трансформаторную схему входит трансформатор низкой частоты, имеющий первичную и вторичную обмотку. Импульсное преобразование тоже подразумевает наличие трансформатора, но уже высокочастотного.

Внимание! Высокочастотные импульсные трансформаторы обладают меньшими габаритами, дешевле, но их мощность выше.

Импульсные преобразователи напряжения (ИПН) допускают использование схем трёх типов:

  • повышающей;
  • понижающей;
  • инверторной.

ИПН обладают высоким КПД и малыми габаритами. Они включают в свой состав следующие элементы:

  • блок питания (источник питания);
  • ключ – элемент коммутации;
  • накопитель энергии индуктивной природы – дроссель, катушка;
  • диод блокировки;
  • фильтр выходного напряжения – конденсатор большой емкости.

Фильтр обычно включается параллельно нагрузке.

Принцип работы

Импульсный стабилизатор напряжения использует принцип сравнения опорного напряжения с напряжением на выходе. Схема позволяет регулировать длительность открытия ключа. Входное напряжение от источника питания (ИП) пропускается ключом по сигналу управления заданными частями (импульсами) с учётом того, что средний потенциал (пониженный или повышенный) был стабильным.

Блок-схема ИС

Сравнение с линейным стабилизатором

Чтобы сравнить два принципа преобразования, нужно вспомнить, что линейные стабилизаторы (ЛС) – это обычно делитель напряжения. У него нестабильный потенциал подаётся на вход делителя, а стабильный – снимается со второго плеча (нижнего). Принцип стабилизации заключается в постоянном изменении сопротивления верхнего плеча схемы таким образом, чтобы на нижнем оно оставалось стабильным.

К сведению. Когда отношение Uвх/Uвых велико, то КПД линейного стабилизатора очень низкий. Это связано с потерями энергии на регулирующем резисторе. Он греется, оттого часть мощности на входе теряется.

У таких сборок есть свои плюсы, а именно: простота схемы, минимум элементов и неимение помех. По сравнению с линейными, импульсные стабилизаторы (ИС) сложнее, но работают стабильнее при правильно подобранной схеме.

В ИС могут возникать автоколебания, которые приводят к частичной неработоспособности или полному выходу преобразователя из строя. Это происходит в случае, когда импеданс источника Uвх превысит значение импеданса ИС, тогда при снижении Uвх повышается ток на входе.

Функциональные схемы по типу цепи управления

По виду управляющей цепи можно выделить несколько рабочих схем, включающих в себя:

  • триггер Шмитта;
  • ШИМ – широтно-импульсную модуляцию;
  • ЧИМ – частотно-импульсную модуляцию.

Важно! Импульсные стабилизаторы – это устройство с автоматическим регулированием, ориентирующееся на опорное напряжение, которое служит эталонным параметром для схемы регулирования.

Блок-схемы ИПН с триггером Шмитта и ШИМ

С триггером Шмитта

При таком построении схемы стабилизации верхний и нижний пороги срабатывания триггера сравниваются с Uвх. Для этой цели используется компаратор – устройство сравнения. Ключ размыкается в момент, когда выходное напряжение сравняется с напряжением срабатывания триггера (Umax). Энергия, накопившаяся за это время, выдаётся на нагрузку, и Uвых после этого спадает. Как только её величина достигнет Umin (нижнего порога), триггер переключается, замыкая ключ.

Такой способ называется стабилизацией с двухпозиционной регулировкой или релейной. Схемы с триггером Шмитта имеют на выходе устройства напряжения с величиной пульсации, обусловленной разностью порогов срабатывания. Эту пульсацию практически устранить невозможно.

В ИС с триггером Шмитта частотное преобразование зависит от Uвх и Iн (тока нагрузки) и является переменным.

С широтно-импульсной модуляцией

На выходе таких схем получают Uср (среднее), на которое влияют скважность импульсов и Uвх. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой схему сравнения Uвых и Uоп (опорного) путём вычитания и последующего усиления. Результат поступает на модулятор, который подстраивает свои параметры в зависимости от этого результата.

Модулятор изменяет (в сторону увеличения) отношение времени, при котором ключ открыт, к периоду тактового импульса генератора, если Uвых С частотно-импульсной модуляцией

Подобные сборки отличаются тем, что скважность импульсов (частота) напрямую зависит от понижения Uвх или увеличения Iн. При этом длительность отпирающего ключ импульса неизменна. Частота подачи импульсов подчинена сигналу разности Uвых и Uоп. Моностабильный мультивибратор, имеющий управляемую запускающую частоту, может смело справиться с подачей команд на ключ.

Моностабильный мультивибратор на транзисторах

Основные схемы силовой части

В зависимости от назначения ИС, можно выделить три базовых модели его построения:

  • понижающая;
  • повышающая;
  • инвертирующая.

Независимо от конструктивного исполнения и назначения ИС, устройствами, использующимися в роли ключа, могут быть:

  • тиристор;
  • транзистор (биполярный или полевой).

Основная задача подобного элемента – отрываться или закрываться по команде, поступающей на управляющий электрод.

Преобразователь с понижением напряжения

Обычно уменьшить величину напряжения необходимо чаще, потому такие ИС более востребованы.

Читайте также:  Среднеквадратичное значение напряжения переменного тока это

Простейшая схема понижающего ИС

У понижающего стабилизатора напряжения, приведённого на схеме, ключ на полевом транзисторе VT1 откроется при подаче на него управляющего напряжения. Ток от плюсовой клеммы будет поступать на нагрузку через сглаживающий дроссель L1. Включенный параллельно в цепь диод VD1 в данный момент не пропускает ток. После размыкания ключа цепь тока следующая: дроссель L1 – нагрузка – общий провод – диод VD1 – дроссель L1. При этом ток, проходящий через дроссель, не прекратится мгновенно, а будет постепенно уменьшаться.

Важно! У дросселей, имеющих большую индуктивность, он не становится равным нулю до начала следующего открытия ключа. Установка таких элементов нецелесообразна из-за увеличения габаритов и стоимости.

Конденсатор C1 в это время будет разряжаться на нагрузку и поддерживать U вых. Емкость C вместе с индуктивностью L образует фильтр, снижающий размах пульсаций.

Преобразователь с повышением напряжения

В отличие от понижения Uвх, этот тип схем используют для питания цепей нагрузки, которым для работы необходимо напряжение выше, чем у источника.

Повышающий ИС

Компоненты схемы те же самые, но включены иначе. При открытом транзисторе диод закрыт, и на дросселе линейно нарастает ток. При запирании ключа ток начинает двигаться по цепи: плюсовая клемма – дроссель L1 – диод VD1 – нагрузка – минусовая клемма. Конденсатор C1 в это время будет заряжаться. Он будет поддерживать ток на нагрузке во время своего разряда на неё при следующем открытии ключа.

Инвертирующий преобразователь

Подобная сборка также не имеет гальванической развязки между входным и выходным каскадами. В ней совсем иное включение дросселя, конденсатора и нагрузки. Они расположены параллельно.

Инвертирующий ИС

При открытом ключе VT1 ток протекает по цепи: плюсовая клемма – транзистор – дроссель – минусовая клемма. Дроссель накапливает энергию при содействии магнитного поля. Когда транзистор закрывается, то цепь прохождения тока меняется: дроссель – конденсатор C1 – диод VD1 – дроссель. Энергия дросселя и энергия конденсатора будут полностью отдаваться нагрузке. Амплитуда пульсации целиком зависит от ёмкости C1. В этот момент напряжение на нагрузке не меняется, несмотря на то, что ток через С1 спадает почти до нуля.

Кстати. Выходное напряжение у инвертирующих ИС может отличаться от напряжения источника питания, как в большую, так и в меньшую сторону.

Влияние диода на КПД

Включенный в электрическую цепь диод вызывает на себе падение напряжения от 0,4 до 0,7 В. При токе от нескольких ампер и низком Uвых на элементе происходит потеря мощности, что приводит к снижению КПД. Применяют альтернативный вариант – замену диода на полевой транзистор. Подбирают такой, чтобы в открытом состоянии падение напряжения на нём было минимальным.

Внимание! Можно в схемах вместо диода поставить ещё один ключ, который будет работать в противофазе с основным.

Гальваническая развязка

Чтобы обезопасить человека при эксплуатации ИС, применяют гальваническую развязку. Для этого включают в схему разделительный трансформатор или дроссель с дополнительной обмоткой. На рабочих частотах 20 кГц – 1 МГц они не столь габаритны, как трансформаторы для частоты переменного тока 50 Гц. В управляющих цепях для развязки устанавливают оптроны (оптопары).

Особенности использования

Импульсные стабилизаторы могут использоваться как драйверы для светодиодов и led-ламп. Кроме того, их применяют в различных устройствах, таких как:

  • блоки питания ЖК телеприёмников;
  • оборудование навигации;
  • источники питания для компьютеров и устройств цифровых систем.

Импульсные стабилизаторы используют для зарядных устройств и преобразования переменного тока в постоянное электричество.

Фильтрация импульсных помех

Сильные помехи, издаваемые импульсным стабилизатором напряжения (ИСН) в моменты коммутации ключа (броски тока и напряжения), необходимо подавлять. Для этого требуется применять фильтры и размещать их на входе и выходе.

Входное сопротивление

У ИСН, работающих под нагрузкой, при увеличении Uвх уменьшается ток на входе (Iвх). Это значит его входное сопротивление отрицательно дифференциальное. При подключении ИСН к источникам, у которых внутреннее сопротивление велико, возможна нестабильная работа.

Использование в сетях переменного тока

Для подключения к источнику переменного тока перед ИСН устанавливают выпрямитель и фильтр. Эта зона, где возникает опасность поражения человека током. Элементы, входящие в эту зону, должны быть закрыты от прикосновения или отмечены маркером (графическое и цветовое предупреждение).

Преимущества и недостатки

Все плюсы и минусы для импульсных стабилизаторов можно свести в одну таблицу.

Достоинства и недостатки ИСН

Преимущества ОС-регулирования

Обратная связь при регулировании напряжения в ИС является важной опцией для импульсных стабилизаторов. Она позволяет поддерживать на выходе устройства напряжение стабильной величины, чутко следя за бросками напряжения и тока. В ИСН применяется широкополосная ОС (чем шире интервал частот, тем меньше уровень пульсации в результате).

Читайте также:  Регулятор напряжения для авто самодельный

Доступность на рынке радиодеталей комплектующих для построения ИСН даёт возможность собрать своими руками любую из схем импульсных стабилизаторов. Использование в них готовых стабилизаторов на интегральных микросхемах (ИМС) и ключей на полевых транзисторах делает устройство максимально компактным.

Видео

Источник

Импульсные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы позволяют теоретически достигнуть коэффициента полезного действия 100%. Это позволяет создавать достаточно мощные стабилизаторы с небольшими габаритами и очень малыми потерями. В реальных устройствах достигается кпд, равный . В этом смысле импульсные стабилизаторы работают как трансформаторы постоянного тока. Высокий кпд достигается за счет ключевого режима работы регулирующего элемента. В качестве основного недостатка импульсных стабилизаторов следует отметить высокий уровень помех, что делает их непригодными в ряде узлов радиоэлектронных устройств, таких как опорные генераторы, усилители радиочастоты приемников в радиостанциях и сотовых телефонах.

Импульсный стабилизатор осуществляет преобразование напряжения за счет явления самоиндукции в индуктивности накопительного дросселя L1. При этом в зависимости от схемы включения дросселя импульсные стабилизаторы могут понижать или повышать выходное напряжение. Более того! Импульсные стабилизаторы могут изменять полярность постоянного напряжения. В качестве примера на рисунке 1 приведена схема импульсного стабилизатора, понижающая выходное напряжение.

Схема понижающего импульсного стабилизатора
Рисунок 1. Схема понижающего импульсного стабилизатора напряжения

Рассмотрим принцип работы этой схемы. Когда ключ K1 замкнут, ток от источника первичного питания протекает через дроссель L1. При этом он накапливает энергию в магнитном поле. По мере насыщения магнитного потока дросселя, ток, протекающий через него, а значит и ток силового ключа K1 нарастает. Когда он размыкается, ток, протекающий через дроссель, не может мгновенно упасть до нуля за счет самоиндукции и продолжает протекать в нагрузку через открытый диод VD. Индуктивность дросселя должна быть больше критической, чтобы ток в нём не уменьшался до нуля. При этом условии напряжение на нагрузке также не будет иметь провалов и его среднее значение будет равно заданному значению.

Подобным образом работает и импульсный стабилизатор, повышающий входное напряжение. Его схема приведена на рисунке 2.

Схема импульсного стабилизатора, повышающего напряжение
Рисунок 2. Схема импульсного стабилизатора, повышающего напряжение

В этой схеме, как и в предыдущей схеме импульсного стабилизатора, накопление энергии происходит в дросселе L1. Отличие заключается в том, что в этот момент времени ток на выход устройства не поступает, и нагрузка питается от энергии, запасенной в конденсаторе С1. После размыкания ключа K1, источник питания и дроссель L1 оказываются включенными последовательно. Напряжение, формируемое ими суммируется и через открытый диод VD1 поступает на выход схемы. Таким образом, напряжение на выходе всегда будет больше входного.

При работе данной схемы следует учитывать тот факт, что ток, протекающий через ключ K1 может быть больше тока, протекающего через нагрузку. В результате напряжение, формирующееся на дросселе L1, будет больше напряжения питания. Иными словами, дроссель L1 в схеме, приведенной на рисунке 2, работает как трансформатор напряжения.

Теперь рассмотрим, как работает импульсный стабилизатор, изменяющий полярность входного напряжения. Его схема приведена на рисунке 3.

Схема импульсного стабилизатора, инвертирующего напряжение
Рисунок 3. Схема импульсного стабилизатора, инвертирующего напряжение

Метод формирования сигнала управления ключом поясняется эпюрами рис.4.21.

Рисунок 2. Формирование сигнала управления ключом

Если входное напряжение стабилизатора изменяется в пределах , то при ШИМ период остаётся постоянным, изменяется длительность импульса ( tИ ), следовательно, изменяется и коэффициент заполнения

Источник



Повышающий импульсный стабилизатор напряжения, источник питания. Преимущества, недостатки, применение. Принцип работы. Примеры схем

Как работает повышающий стабилизированный преобразователь напряжения. Где он применяется. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по разработке и расчету (10+)

Повышающий импульсный стабилизатор напряжения. Схемы. Расчет — Принцип действия

Повышающий преобразователь напряжения применятся тех схемах, где необходимо получить напряжение, большее, чем напряжение питания схемы. При этом важны малые габариты и высокий КПД, но терпим некоторый уровень высокочастотных шумов.

Принцип работы повышающего стабилизированного преобразователя напряжения очень похож на принцип работы понижающего преобразователя. Я рекомендую ознакомиться со статьей по ссылке, прежде чем читать этот материал. Несколько другая схема включения индуктора, диода и конденсатора позволяет получить на выходе повышенное напряжение.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Когда ключ замкнут, к катушке индуктивности приложено входное напряжение. Сила тока в дросселе нарастает, индуктор накапливает энергию. Ток идет по контуру S1. Диод исключает разряд выходного конденсатора C2 через замкнутый ключ. В этот период времени выходной ток, потребляемый нагрузкой, поддерживается за счет заряда, накопленного на конденсаторе C2.

Читайте также:  Концентрацию напряжений учитывают при расчете валов

Так как моментально изменение силы тока через дроссель невозможно, после размыкания ключа, ток дросселя через диод течет по контуру S2. Он заряжает выходной конденсатор C2. При этом напряжение на этом конденсаторе получается больше, чем входное.

Блок управления D1 формирует широтно-импульсно модулированный сигнал, то есть формирует импульсы управления ключом переменной скважности. Время, в течение которого ключ остается открытым, зависимост от напряжения на конденсаторе C2.

Конденсатор C1 нужен для того, чтобы защитить входную цепь от пульсаций тока, отбирать из нее не импульсный, а средний ток.

Преимущества, недостатки, применимость

Потери энергии в повышающем преобразователе, также как и в понижающем, и в инвертирующем, пропорциональны отношению входного и выходного напряжений. Поэтому инвертирующие преобразователи применяются, если выходное напряжение больше входного не более чем 4 раза.

В таком преобразователе не применяется выходной трансформатор, следовательно нет паразитной индуктивности утечки между обмотками — главной причиной, ограничивающей мощность импульсных преобразователей. С другой стороны, мы не имеет возможность развязать входную и выходную цепи.

Примером схемы повышающего преобразователя напряжения может быть Корректор коэффициента мощности.

Проектирование инвертирующего преобразователя

Рассмотрим типичные схемы повышающего преобразователя и подробно разберем процесс проектирования и расчета. В конце статьи будет форма, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов. Эта форма считает номиналы сразу для всех трех схем. Если в выбранной Вами схеме этих элементов нет, то их номиналы нужно игнорировать.

Повышающая топология — самая простая в реализации, так как эмиттер (исток) силового транзистора в не соединен с общим проводом. Нет необходимости в специальных ухищрениях при подаче управляющего напряжения на базу (затвор). Достаточно подать это напряжение напрямую. С формированием сигнала обратной связи тоже нет никаких проблем. Если ток нагрузки относительно небольшой, то и сигнал ограничения тока снять совсем просто. В эмиттерной (истоковой) цепи устанавливается резистор. Если ток через этот резистор превышает максимально допустимый, то напряжение на этом резисторе превышает напряжение срабатывания защиты контроллера, и ключ принудительно закрывается.

Если ток нагрузки большой, то потери энергии на резисторе R7 становятся недопустимой роскошью. Тогда применяется трансформатор тока.

Если применяется маломощный контроллер, не способный раскачать мощный биполярный транзистор, то нужно поставить дополнительный транзистор, как это показано на схеме. Применение составного транзистора нежелательно, так как потери энергии на транзисторе тем больше, чем больше напряжение насыщения коллектор — эмиттер, а у составного транзистора напряжение насыщения больше в разы, чем у обычного.

На схеме 3 показано применение трансформатора тока и дополнительного маломощного транзистора. Но это не означает, что их можно применять только вместе. Трансформатор тока можно применять в схемах с полевым транзистором и в схемах с мощным контроллером. А маломощный транзистор можно применять в схемах с резистором R7. Эти два решения показаны на одной схеме просто для примера. Обратите внимание! Если в схеме 3 для управления транзисторами используется ШИМ — контроллер с открытым эмиттером на выходе, то между базой и эмиттером транзистра VT7 нужно включить резистор сопротивлением 300 — 400 Ом для надежного запирания транзистора VT7. Если же на выходе контроллера стоит двухтактный каскад, как в той микросхеме, которую применяем мы, то в таком резисторе потребности нет.

Как быть в случае, если входное напряжение больше, чем допустимое напряжение на затворе полевого транзистора или допустимое напряжение питания контроллера, описано в статье про понижающий преобразователь. Для повышающего решение совершенно аналогично.

Для примера в качестве ШИМ — контроллера мы используем микросхему 1156EU3.

В схемах в качестве силового ключа используются мощный биполярный транзистор или мощный полевой транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора и полевого транзистора в качестве силового ключа.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Инвертирующий импульсный преобразователь напряжения, источник питания.
Как работает инвертирующий стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание.

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму.
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи.

Мостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, исто.
Как работает мостовой стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание прин.

Понижающий импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Ко.
Как сконструировать понижающий импульсный преобразователь. Шаг 1. Как выбрать ча.

Бесперебойник своими руками. ИБП, UPS сделать самому. Синус, синусоида.
Как сделать бесперебойник самому? Чисто синусоидальное напряжение на выходе, при.

Источник