Импульсный стабилизатор напряжения

В инженерной практике часто возникает задача стабилизации среднего значения напряжения на нагрузке

При этом допускаются пульсации мгновенного значения функции м_и(?) в заданных пределах. Такую стабилизацию осуществляет импульсный стабилизатор напряжения.

Идея импульсной стабилизации среднего значения напряжения такова. Стабилизируемое напряжение подается через стабилизатор на нагрузку не непрерывно, а только в течение некоторого интервала времени внутри периода Т (периодически, то подключается к нагрузке, то отключается от нее).

Таким образом, период работы импульсного стабилизатора Тсостоит из двух стадий:

• 1) ?_и — интервал времени, в течение которого нагрузка подключена к источнику стабилизируемого напряжения;
• 2) Т — ?_и — временной интервал, на котором нагрузка отключена от источника.

В результате импульсный стабилизатор, принимая на свой вход постоянное нестабильное по величине напряжение, выдает на выход стабилизатора напряжение и_вык (?), не являющееся постоянным. Оно пульсирует относительно некоторого среднего уровня U_Cft. Величина U зависит от соотношения длительностей ?_м и (Г — ?_и), а именно: с ростом ?_и среднее значение напряжения U увеличивается, а с уменьшением ?_и уровень U понижается. Следовательно, для поддержания величины U на заданном уровне при изменении входного напряжения необходимо изменять время его подключения ?_и к нагрузке. При увеличении ?/_вх интервал ?_и необходимо уменьшать, а при уменьшении — увеличивать. Для осуществления изложенного принципа стабилизатор должен содержать устройство, выполняющее преобразование уровня постоянного напряжения в длительность временного интервала. Такое преобразование называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а само устройство — широтно-импульсным модулятором.

Принцип работы широтно-импульсного модулятора. Блок-схема ИТИМ-преобразователя изображена на рис. 17.13, а, и включает в себя устройство сравнения (вычитания) и ключевую схему.

Один из входов схемы сравнения подключается к генератору пилообразного напряжения м_пи,(?), а на другой ее вход подается преобразуемое постоянное напряжение U. Оба входных напряжения показаны на рис. 17.14, а.

Устройство сравнения выполняет операцию вычитания напряжений, поданных на его входы. На выходе устройства получаем разность м_пнл(?) — U, представляющую собой периодическую последовательность двухполярных импульсов. На рис. 17.14, б длительность отрицательных импульсов обозначена ?, тогда длительность положительных импульсов равна Т - ?,. Со;

Рис. 17.13. Широтно-импульсный преобразователь постоянного уровня U в длительность временного интервала:

а — блок-схема преобразователя; 6 — напряжение с выхода ключевой схемы.

Рис. 17.14. Принцип широтно-импульсной модуляции — преобразования «вольты в секунды»:

а — пилообразное напряжение и_П11Л(?) и уровень U = const; б — график разности и_П11Л — U; в — напряжение с выхода ключевой схемы отношение между временными интервалами t_{ и Тt_x зависит от уровня постоянного напряжения U и параметров «пилы».

Разностное напряжение (см. рис. 17.14, б) подается на ключевую схему, реагирующую на полярность входного напряжения, а именно:

• при «пил (0 — U< ⁰ ««ых = 0;

* при и_Ш1Л(0 -и> 0 м_вых = 1.

Тогда на выходе ключевой схемы имеем последовательность прямоугольных импульсов (рис. 17.14, в). Их период задается генератором пилообразного напряжения. Пауза между импульсами пропорциональна уровню постоянного напряжения U.

Широтно-импульсный модулятор является составной частью импульсного стабилизатора напряжения и задает периодический характер его работы.

Схема импульсного стабилизатора напряжения. Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 17.15) содержит транзисторный ключ, собранный на биполярном р-и-/?-транзисторе.

По структуре схема транзисторного ключа является четырехполюсником, входными зажимами которого являются эмиттер и общая точка О, выходными — коллектор и точка О, а участок эмиттер — коллектор выполия;

Рис. 17.15. Импульсный стабилизатор напряжения.

ет роль ключевого элемента. Вход ключевой схемы подсоединен к источнику стабилизируемого напряжения, а напряжение с ее выхода подается на сопротивление нагрузки R_n через сглаживающий LC-фильтр.

При замкнутом ключе потенциал коллектора близок к потенциалу эмиттера. Сопротивление нагрузки (через LC-звено) практически подключено к источнику входного напряжения. Диод при этом заперт, поэтому его присутствие схемой не ощущается. Этому режиму соответствует эквивалентная схема на рис. 17.16, а. На ней участок коллектор — эмиттер представлен короткозамкнутой (к.з.) перемычкой.

При разомкнутом ключе нагрузка отключена от источника стабилизируемого напряжения; двухполюсник, содержащий /?_н, I, С, пребывает в свободном режиме. Индуктивный ток (в рассматриваемой схеме при размыкании транзисторного ключа он не меняет своего направления) вынужден замыкаться через открытый диод. Эквивалентная схема для этого случая показана на рис. 17.16, б. Управление состоянием транзисторного ключа (открыт или закрыт) производится от широтно-импульсного модулятора, который обеспечивает протекание на базовом входе транзистора периодической последовательности прямоугольных импульсов тока длительностью ?_и с периодом Т (см. рис. 17.15). Амплитуда импульсов должна быть достаточной для надежного открытия БЭ-перехода. При таком воздействии на базовый вход состояние транзисторного ключа в течение одного периода изменяется дважды: в соответствии с рис. 17.15 в момент времени t = О

Рис. 17.16. К анализу работы импульсного стабилизатора напряжения:

а — эквивалентная схема при замкнутом ключе; б — эквивалентная схема при разомкнутом ключе; в — график напряжения (тока) на выходе стабилизатора двухполюсник (/_п, L, С) подключается к источнику постоянного напряжения и_ю, а при t = t_n — отключается. Каждое переключение (считаем, что оно происходит мгновенно) приводит к возникновению переходного процесса в нагрузочной цепи (/?", L, С). Это цепь второго порядка.

На временном интервале 0 < t < t_n, когда транзистор открыт (ключ замкнут), функция и_вых(?) рассчитывается по эквивалентной схеме на рис. 17.16, а. Во время паузы ?_н < t < Т, когда транзистор закрыт, участок коллектор — эмиттер проявляет себя как обрыв цепи — ключ разомкнут. Напряжение на нагрузке и_вых(?) находится по эквивалентной схеме па рис. 17.16, б.

На рис. 17.16, в приведен график функции и_вых(0> полученный в результате расчета обоих переходных процессов. Напряжение на выходе стабилизатора плавно (без скачков) колеблется около своего среднего уровня.

Механизм стабилизации. На входы широтно-импульсного модулятора (см. рис. 17.15) воздействуют два напряжения: 1) с выхода генератора пилообразного напряжения ы_пил (7); 2) с сопротивления нагрузки и_ВЬ1Х (7). Особен ностью используемого ШИМ является то, что он реагирует не на мгновенное значение м_вых(?), ^{а на сг0} среднее значение U . Небольшие пульсации и_ВЬ|Х(?) не снижают его качество как преобразователя уровня напряжения в длительность.

Схема на рис. 17.15 позволяет стабилизировать среднее значение напряжения на нагрузке при изменении как сопротивления нагрузки, так и входного напряжения. Рассмотрим эти случаи.

1. ?/_nx = const; R_u = var. Допустим, что в некоторый момент времени произошло увеличение сопротивления нагрузки R_u. Так как L и С воспрепятствуют быстрому изменению тока в R_n, то первоначальной реакцией схемы на такое изменение будет возрастание выходного напряжения, а следовательно, и его среднего значения U .

Увеличенное напряжение и_ср, поданное на соответствующий вход ШИМ, вызовет уменьшение длительности импульсов t_n, поступающих на базовый вход транзисторного ключа, и одновременно возрастание паузы между импульсами. А это в свою очередь приведет к уменьшению среднего значения тока в нагрузке /. Обратный эффект будем иметь при уменьшении R_n.

Таким образом, увеличение R_n вызывает уменьшение тока /, а уменьшение R_u вызывает увеличение тока /. Тогда для напряжения на выходе получаем

2. ?/_вх = var; R_n = const. Поскольку величина тока базы г_Б(?), подаваемого на вход транзисторного ключа с ШИМ, на вершине прямоугольного импульса поддерживается постоянной, то транзистор на интервале О—?_и работает, не выходя за пределы одной кривой в семействе выходных ВАХ, на ее пологом участке. Здесь ток коллектора /_к слабо зависит от напряжения и_кэ, а следовательно, от напряжения источника коллекторного питания. По этой причине схема стабилизатора мало критична к величине U_BX.