РЭА импульсные

Стабилизаторы постоянного напряжения вторичного электропитания

Дополнительный материал к лекции 21 для самостоятельной работы

Электропитания РЭА импульсные

Стабилизаторы постоянного напряжения вторичного

План (логика) изложения материала

Лекция 21

Задачи для самостоятельной работы

1 Выбрать и рассчитать схему последовательного стаби­лизатора (рисунок 2.46) напряжения с параметрами К_ст = 10³. Исходные дан­ные для расчета: U_вх = 9 В, ∆U_вх = ±1 В, I_н.макс = 1 А, U_н.мин = = 4 В, U_{н макс.} = 6 В.

2 Определите коэффициент усиления компенсационного стабилизатора

напряжения (рисунок 2.47), если коэффициент усиления транзистора VT₃

К_UVT3 = 30, напряжение на нагрузке U_н = 24 В., U_r = 12 В, U_вх = 30 В.

3 Определите входное напряжение и напряжение U_ст в компенсационном стабилизаторе напряжения (рисунок 2.46),если напряжение на нагрузке

U_н= 24 В и U_кэ = 2 В.

Литература

1 Векслер Г.С., Пилинский В.В Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры.-К.: Вища школа,1986. с.240…244, 258…272.

2 Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники.- К.: Вища школа, 1989. 371…379.

3 Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций.-4-е изд.=СПб.: КОРОНА принт,2004. с. 342…347.

4 Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого – цифровых электронных устройств. 2 –е изд., испр. – М.: Издательский дом «Додэка –ХХl», 2007. – 527с., с.217 …234.

5 Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та

мікросхемотехніка: теорія і практикум.- К.:Каравела, 2003. с.342…344.

Экспресс - проверка знаний пройденного материала:

1 Нарисуйте принципиальную схему компенсационного стабилизатора на

операционном усилителе.

2 Нарисуйте структурные схемы компенсационных стабилизаторов.

3 Нарисуйте принципиальную схему компенсационного стабилизатора

напряжения с последовательным включением регулирующего транзистора и с

токостабилизирующим транзистором.

4 Нарисуйте регулируемые стабилизаторы на четырехвыводной ИМС и

трехвыводной ИМС.

5 Нарисуйте схемы повышении максимального выходного тока с включением

дополнительного мощного транзистора.

6 Напишите ключевые слова к теме лекции 20.

После изучения лекции 21 студент должен знать: принцип работы импульсного стабилизатора напряжения и его характеристики.

Уметь: пояснить работу импульсного стабилизатора напряжения, а также расчет и выбор элементов схемы импульсного стабилизатора напряжения.

Импульсные, или ключевые, стабилизаторы напряжения находят широкое применение в источниках вторичного электропитания (ИВЭП) РЭА. Это объясняется тем, что источники электропитания импульсные характеризуются высоким КПД, удельными массогабаритными показателями, сравнительно низким расходом цветных и черных металлов.

Импульсным стабилизатором напряжения (тока) вторичного электропитания называется стабилизатор, регулирующий элемент которого работает в импульсном (ключевом) режиме.

Основным достоинством ключевого режима работы регулирующего элемента (узла), который может выполняться на транзисторах, тиристорах, магнитных усилителях (дросселей насыщения), является минимальная потеря мощности в силовой цепи, что позволяет обеспечить высокие параметры ИВЭП.

Рассмотрим работу регулирующего транзистора на примере схемы приведенной на рисунке 2.55.

а- функциональная схема;

б- зависимости i_б(t), u_(t);

в- выходные вольт-амперные характеристики

Рисунок 2.55 – Схема, временная диаграмма и ВАХ транзистора регулирующего

транзистора

Работу регулирующего транзистора в импульсном стабилизаторе напряжения в режиме переключения рассмотрим на примере схемы рисунок 2.55,а. На базу транзистора VT подают управляющие импульсы тока прямоугольной формы

(рисунок 2.55,б) с максимальным значением I_б, в интервале времени 0…t1. В интервале времени t₁…t₃ ток базы равен нулю, рабочая точка регулирующего транзистора занимает положение 1 (рисунок 2.55,в) на выходной ВАХ. Транзистор в этом интервале времени находится в состоянии отсечки, ток коллектора транзистора мал и почти все входное напряжение U_вх приложено к переходам коллектор – эмиттер транзистора.

В интервале времени 0…t₁ через базовый переход транзистора протекает импульс тока с максимальным значением I_б'>I_б. В этом интервале рабочая точка регулирующего транзистора займет положение 2 на выходной ВАХ. Регулирующий транзистор в этом интервале находится в состоянии насыщения. Состояние насыщения характеризуется тем, что ток коллектора транзистора VT ограничивается сопротивлением нагрузки R_н, падение напряжения на регулирующем транзисторе мало и почти все входное напряжение прикладывается к нагрузке.

В состоянии отсечки и насыщения на переходе коллектор – эмиттер регулирующего транзистора рассеивается незначительная мощность, так как в одном случае мал по величине ток, а в другом случае падение напряжения на транзисторе.

В момент переключения регулирующего транзистора рабочая точка переходит из области отсечки в область насыщения, и наоборот, через активную область. При переключении регулирующего транзистора, когда рабочая его точка

находится в активной области, на регулирующем транзисторе также рассеивается мощность. Мощность, рассеиваемая транзистором в активной области, зависит от времени его включения и выключения, а также от максимального значения управляющих импульсов. Время включения и выключения транзистора зависит в свою очередь от частотных свойств. Таким образом, суммарная мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором в режиме переключения, состоит из трех составляющих мощностей, рассеиваемых в состояниях насыщения, отсечки и при переходе рабочей точки активной области. Мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе в режиме переключения, во много раз меньше, чем при работе транзистора в непрерывном режиме

Выходное напряжение (напряжение на нагрузке) в схеме рисунок 2.55,б будет иметь форму прямоугольных импульсов с максимальным значением, приблизительно равной входному напряжению.

Работа регулирующего транзистора в режиме стабилизации можно пояснить следующим образом. При изменении длительности управляющих импульсов на выходе схемы (показано пунктирной линией рисунок 2.55,б), приведет к изменению площади импульса, за период Т, а следовательно к изменению постоянной составляющей напряжения на нагрузке. Таким образом, при изменении длительности управляющих импульсов, можно регулировать уровень постоянной составляющий напряжения на нагрузке.

Если в схему управления ввести сигнал обратной связи, пропорциональный отклонению постоянной составляющей на нагрузке от заданного, то схема будет осуществлять стабилизацию выходного напряжения.

Импульсные стабилизаторы по способу регулирования подразделяются на стабилизаторы с широтно - импульсной модуляцией (ШИМ), с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) и стабилизаторы релейные.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой изменяется время замкнутого или разомкнутого состояния регулирующего транзистора (РТ) при неизменном периоде следования импульсов Т.

Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), при которой изменяется частота работы РТ при неизменных длительностях импульсов.

Релейное, или двухпозиционное регулирование, обусловленное наличием в системе управления релейного элемента (например, триггера Шмита) с двумя фиксированными порогами срабатывания и осуществляемое при изменении длительности импульсов и периода Т.

Режим ЧИМ и релейный применяются редко в связи с изменением частоты напряжения на выходе импульсного стабилизатора напряжения. Это затрудняет рациональный выбор параметров реактивных элементов L и С, а также при релейном регулировании выходное напряжение всегда содержит пульсации, так как это обусловлено принципом его работы.

ШИМ регулирования бывает первого и второго рода. На рисунок 2.56 показана структурная схема часто применяющегося ШИМ-2, здесь задающий генератор ГИ управляет генератором линейного напряжения ГЛН, которое - в элементе сравнения ЭС – сравнивается с усиленным сигналом рассогласования, поступающим после ИЭ и УЭ.

Рисунок 2.56- Обобщенная структурная схема импульсного

стабилизатора напряжения

Уровень сигнала рассогласования зависит от значения длительности (см. рисунок 2.55), управляющее работой ключа РЭ.

На рисунке 2.56 показана модуляция заднего фронта U_упр., применив другую форму напряжения U_глн. Можно модулировать передний фронт U_упр. и оба фронта вместе.

Рисунок 2.56 - Временные диаграммы, поясняющие режим работы

ШИМ

В импульсных стабилизаторах напряжения используют три основных типа силовых каскадов: понижающие ПВ, в котором выходное напряжение U_н

меньше входного U_вх; повышающего ПВ, в котором U_н >U_вх и полярно-инвертирующий ПВ, в котором полярности выходного и входного напряжений противоположны, а значение U_н может быть больше или меньше U_вх в зависимости от значения скважности Q рабочих импульсов.

Во всех схемах силовых каскадов транзистор VT является ключевым элементом, дроссель L и конденсатор С образуют сглаживающий фильтр – накопитель, коммутационный ( рекуперационный, обратный) диод VD также работает в ключевом режиме и предназначен для формирования цепи потребителя R_н при разомкнутом состоянии VT.

Силовые каскады ИСН могут работать в двух режимах: с непрерывным и прерывистым током i_L. Лучшие эксплуатационные свойства обеспечиваются в режиме непрерывного тока в дросселе (меньше пульсации напряжения на выходе, жестче внешняя характеристика). Для реализации этого режима накладываются ограничения на минимальные значения нагрузочного тока и индуктивности дросселя.

Анализ силовых каскадов выполняется при следующих допущениях: ключи

(транзисторы и диоды) замыкаются и размыкаются мгновенно; в замкнутом и разомкнутом состояниях потери в них отсутствуют; дроссель и конденсатор описываются как идеальные линейные индуктивность и емкость; на рассматриваемом периоде напряжение на входе и выходе, а также нагрузка неизменны; анализ производится в установившемся режиме (не при первом включении к источнику входного напряжения).

Схема понижающего импульсного стабилизатора приведена на рисунок 2.57. В этой схеме используется накопительная индуктивность (дроссель) L, включенная последовательно с нагрузкой R_н. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно ей включен конденсатор фильтра С_ф. Ключевой транзистор VT включен между источником питания Е_п и накопительной индуктивностью L. Схема управления включает или выключает транзистор в зависимости от значения напряжения на нагрузке U_н. При размыкании транзисторного ключа VT ток индуктивности L протекает через диод VD. Включение в схему диода VD обеспечивает непрерывность тока в индуктивности L и исключает появление опасных выбросов напряжения на транзисторе в момент коммутации. На рисунке 2.57,б приведена эквивалентная схема замещения, в которой ключевой транзистор VT и диод VD заменены перекидным ключом S. При поступлении управляющего сигнала на базу транзистора VT ключ S устанавливается в положение 2, обеспечивая непрерывность тока в дросселе L. В зависимости от значения параметров схемы возможны два режима работы: 1) непрерывного и 2) прерывистого.

Рассмотрим в начале режим непрерывного тока в дросселе L. Для обеспечения режима непрерывного тока в дросселе его индуктивность должна выбираться по формуле

L_ф > T·R_н (1-γ) /2. (2.63)

а - схема понижающего ИСН;

б - эквивалентная схема;

в - графики токов и напряжений

Рисунок 2.57- Схема понижающего импульсного стабилизатора

При включении транзистора VT ключ S устанавливается в положение 1 и в дросселе L начинает возрастать ток, достигая своего максимального значения к моменту выключения транзистора VT. Накопление энергии в дросселе L и конденсаторе фильтра С_ф приводит к небольшому увеличению напряжения на нагрузке (рисунок 2.57,в).

По сигналу, поступившему от схемы управления, транзистор VT запирается, а диод VD отпирается, что соответствует переводу ключа S в положение 2. Энергия, накопленная в дросселе L, и конденсатор С_ф, начинает расходовать в нагрузке и ток дросселя начинает уменьшаться по линейному закону. Этот спад продолжается вплоть до нового отпирания транзистора VT.

Напряжение на дросселе в период накопления энергии равно (Е_п - U_н). В момент коммутации дросселя ключом S напряжение на нем скачком принимает значение -U_н. Полный перепад напряжения на дросселе, таким образом, равен Е_п. Напряжение на нагрузке пропорционально коэффициенту заполнения

U_н= Е_п·γ. (2.64)

При уменьшении индуктивности дросселя относительно значения происходит переход в режим прерывистого тока в нем. В таком режиме

ухудшается использование ключевого транзистора, возрастает.

Требуемая емкость конденсатора фильтра, увеличиваются пульсации тока в дросселе и в нагрузке.

а- схема повышающего стабилизатора;

б- эквивалентная схема;

в- графики напряжения м тока

Рисунок 2.58 - Схема повышающего импульсного стабилизатора

В этой схеме (рисунок 2.58) дроссель включен последовательно с источником питания Е_п, а диод VD последовательно с нагрузкой. Эквивалентная схема замещения приведена на рисунке 2.58,б. При включении транзистора VT ключ S переводится в положение 1 и дроссель подключается непосредственно к источники питания Е_п. Ток дросселе начинает линейно нарастать, пока из схемы управления не поступит сигнал на запирание транзистора.

После запирания транзистора VT избыточная энергия, накопленная в дросселе L, через открытый диод VD поступает в нагрузку, подзаряжая конденсатор фильтра С_ф. Этому режиму соответствует переключение переключение ключа S в положение 2, при котором напряжение на дросселе складывается с напряжением источника питания, в результате чего конденсатор фильтра С_ф заряжается до напряжения U_н > Е_п. Форма тока и напряжения на дросселе L приведены на рисунке 2.58,в. Полный перепад напряжения на дросселе равен (U_н-2Е_п).

а- схема инвертирующего стабилизатора;

б- эквивалентная схема:

в- графики напряжения и тока

Рисунок 2.59 – Схема инвертирующего импульсного стабилизатора

Схема инвертирующего импульсного стабилизатора приведена на рисунке 2.59,а. В этой схеме последовательно с источником питания Е_п включен транзистор VT, а диод VD включен последовательно с нагрузкой R_н. Эквивалентная схема инвертирующего стабилизатора напряжения приведена на рисунке 2.59,б.

При включенном транзисторе VT ключ S установлен в положение 1, в результате чего дроссель L подключается к источнику питания Е_п и ток в нем начинает линейно нарастать (рисунок 2.59,в). Рост тока происходит до тех пор, пока не поступит сигнал из схемы управления на запирание транзистора VT. При этом на эквивалентной схеме переключателя S установится в положение 2 и дроссель L подключится параллельно нагрузке и конденсатору фильтра С_ф. Поскольку ток в дросселе после коммутации транзистора VT не меняет своего направления, то полярность напряжения на нагрузке будет обратная полярности источника электропитания, т.е. происходит инверсия полярности.

В понижающем и повышающем силовом каскадах ИСН регулирующий транзистор может быть включен коллектором или эмиттером к источнику питания. импульсного стабилизатора.

Дата добавления: 2014-01-04