§ 44. Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с импульсным регулированием
Функциональная схема силовой цепи стабилизатора постоянного напряжения с импульсным регулированием приведена на рис. 95. Регулирующим элементом в рассматриваемых стабилизаторах напряжения является транзистор, работающий в импульсном режиме. На рис. 95 он показан в виде ключа Кл, который периодически замыкается, подключая к источнику постоянного напряжения Uвх нагрузку Rn через сглаживающий фильтр L-C. На входе фильтра включен вентиль Д. При замкнутом состоянии ключа на вход фильтра подаются импульсы напряжения длительностью (рис. 96). Амплитуда импульсов равна значению входного напряжения стабилизатора UВХ. Интервал времени t2 между соседними импульсами соответствует разомкнутому состоянию ключа Кл. Период следования импульсов Т = t1 + t2.
Отношение длительности импульсов к периоду их следования называется коэффициентом заполнения
Рис. 95. Функциональная схема силовой цепи импульсного стабилизатора постоянного напряжения типа ПН
Рис. 96. Графики напряжения на входе сглаживающего фильтра в импульсном стабилизаторе типа ПН
В идеальном сглаживающем фильтре нет падения напряжения, среднее значение напряжения на выходе фильтра, т. е. на выходе стабилизатора.
Так как коэффициент заполнения Кв<1, то среднее значение выходного напряжения в рассматриваемой схеме (см. рис. 95) меньше входного напряжения. Такие стабилизаторы называются понижающими типа (ПН). Постоянство выходного напряжения в импульсных стабилизаторах обеспечивается соответствующим изменением коэффициента заполнения. С увеличением входного напряжения коэффициент заполнения уменьшается, а с уменьшением входного напряжения — увеличивается.
Коэффициент сглаживания пульсаций Г-образного фильтра возрастает с уменьшением периода следования импульсов Т по сравнению с периодом собственных колебаний L-C контура. Рассмотрим графики изменений во времени напряжения и токов в силовой цепи импульсного стабилизатора типа ПН.
В замкнутом состоянии ключа на вход фильтра подается напряжение UΒΧ (рис. 97, а) и в реакторе L возникает ток iL (рис. 97, б). Быстрому увеличению этого тока препятствует э.д.с. самоиндукции реактора е1=
. Поэтому в интервале времени ток iL плавно увеличивается от значения Il min до значения iLмах.
Рис. 97. Графики напряжения и то ков в силовой цепи импульсного стабилизатора типа ПН
После размыкания ключа э. д. с. самоиндукции реактора меняет направление. Благодаря этому открывается вентиль Д и энергия реактора поступает в нагрузку Rн. Ток реактора при этом снижается до значения Imin.
Режим работы импульсного стабилизатора, при котором ток реактора не снижается до нуля, называется режимом непрерывного тока реактора. Такой режим улучшает сглаживание пульсации напряжения на выходе стабилизатора и возникает в том случае, если индуктивность реактора больше критического значения LKp, при котором ток реактора снижается до нуля. График тока iL при индуктивности реактора L = Lкр на рис. 97, б показан штриховой линией.
В интервале времени конденсатор С заряжается и его напряжение Uc увеличивается (рис. 97, в). В интервале i2, когда ключ разомкнут, конденсатор С сначала заряжается при eL> Uс, затем разряжается при cl < Uc. Вентиль Д закрыт под действием обратного напряжения UВХ в интервале времени tx и открыт в интервале времени t2. График тока вентиля Iд показан на рис. 97, г.
Рассмотрим функциональную схему силовой цепи повышающего импульсного стабилизатора постоянного напряжения (типа ПВ), которая представлена на рис. 98. При замыкании ключа Кл на реакторе возникает напряжение, равное входному напряжению Uвх. Ток реактора i возрастает, в магнитном поле реактора запасается энергия. Вентиль Д в этот интервал времени закрыт, так как к нему приложено обратное напряжение. Напряжение на нагрузке Rн равно напряжению на конденсаторе С. Э. д. с. самоиндукции реактора в этот промежуток равна входному напряжению и имеет полярность, указанную на рис. 98 без скобок.
При размыкании ключа Кл ток реактора il и магнитный поток в его сердечнике уменьшаются, в обмотке реактора возникает э. д. с., препятствующая уменьшению тока. Полярность э.д.с. самоиндукции реактора в интервале I2 на рис. 98 показана в скобках. При этом входное напряжение UВХ складывается с э. д. с. самоиндукции реактора под действием суммарного напряжения открывается вентиль Д, заряжается конденсатор С. Таким образом, напряжение на нагрузке становится больше входного напряжения стабилизатора. В импульсном стабилизаторе типа ПВ напряжение на выходе
Рис. 98. Функциональная схема силовой цепи импульсного стабилизатора постоянного напряжения типа
ПВ
В импульсном стабилизаторе типа ПВ напряжение на выходе
В схемах силовых цепей стабилизаторов типов ПН и ПВ в качестве ключа Кл используются транзисторы, работающие в режимах насыщения и отсечки. Сопротивление перехода коллектор—эмиттер таких транзисторов в состоянии насыщения мало (для мощных кремниевых транзисторов 0,1—0,25 Ом), а в состоянии отсечки велико и достигает 10+5—10+6 Ом.
Для управления транзистором в импульсном режиме его работы используется цепь обратной связи, назначение которой состоит в изменении длительности импульсов или пауз между ними в целях компенсации отклонений выходного напряжения стабилизатора от его номинального значения.
Как можно видеть из приведенного выше описания принципа действия компенсационного импульсного стабилизатора напряжения, этот стабилизатор допускает изменение номинального значения выходного напряжения по сравнению со входным напряжением. Это значит, что такой стабилизатор можно использовать и как прибор, преобразующий постоянное напряжение в цепях питания различных устройств связи. Такие приборы (конверторы) описаны ниже.