Основные сведения из теории




Лабораторная работа № 3

ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы

 

Изучение основных схем построения импульсных стабилизаторов постоянного напряжения и исследование ключевых стабилизаторов с широтно-импульсной модуляцией.

 

Основные сведения из теории

 

В импульсных стабилизаторах постоянного напряжения (ИСПН) регулирующий транзистор работает в режиме переключений. Это основное отличие ИСПН от стабилизаторов непрерывного действия. В режиме переключения транзистор большую часть периода находится в состоянии насыщения или отсечки. Поэтому значение средней мощности, рассеиваемой на регулирующем транзисторе, намного меньше, чем при его работе в непрерывном режиме. За счет этого ИСПН обладает высоким КПД и хорошими массогабаритными показателями.

По способу построения силовой части различают следующие виды стабилизаторов:

· стабилизаторы понижающего типа (рис. 3. 1, а). Транзистор и дроссель включены последовательно с нагрузкой;

· стабилизаторы повышающего типа (рис. 3. 1, б). Дроссель включён последовательно с нагрузкой, а транзистор – параллельно нагрузке;

· стабилизаторы инвертирующего типа (рис. 3. 1, в). Транзистор включён последовательно, а дроссель – параллельно с нагрузкой.

Импульсные стабилизаторы содержат следующие элементы:

· VT – регулирующий транзистор;

· LC фильтр;

· VD – коммутирующий диод;

· схему управления, состоящую из СС (схемы сравнения) в которой выходное напряжение сравнивается с опорным и разница усиливается, и импульсного элемента ИЭ, который преобразует постоянное напряжение в прямоугольные импульсы.

По способу регулирования напряжения стабилизаторы делятся на 3 группы:

· с широтно–импульсной модуляцией (ШИМ);

· с частотно–импульсной модуляцией (ЧИМ);

· с релейным регулированием.

Принцип работы стабилизатора с широтно–импульсной модуляцией

При подаче входного напряжения оно проходит на выход стабилизатора. В схеме сравнения выходное напряжение сравнивается с опорным, разница усиливается и подаётся на импульсный элемент, который преобразует это напряжение в последовательность импульсов, длительность которых задаётся напряжением с выхода схемы сравнения. Регулирующий транзистор открыт в течение действия положительного импульса. При изменении входного напряжения в первый момент времени происходит изменение напряжения на выходе и, соответственно, напряжения с выхода схемы сравнения, которое, воздействуя на импульсный элемент, изменяет интервал времени, в течение которого открыт транзистор. В результате этого происходит изменение выходного напряжения до предыдущей величины (рис. 3. 2). Период следования импульсов не изменяется.

Принцип работы стабилизатора с частотно-импульсной модуляцией

В случае частотно–импульсной модуляции длительность импульса фиксирована, а стабилизация выходного напряжения осуществляется за счёт изменения частоты следования импульсов.

Принцип работы релейного стабилизатора

В таких стабилизаторах в качестве импульсного элемента используется триггер, который управляет регулирующим элементом. При подаче входного напряжения регулирующий транзистор открыт, поэтому начинает расти выходное напряжение, соответственно увеличивается напряжение с выхода схемы сравнения. При достижении порогового напряжения триггера он переключается и закрывает регулирующий транзистор. Выходное напряжение начинает уменьшаться, также уменьшается напряжение с выхода схемы сравнения. При достижении порогового напряжения триггера он вновь переключается и открывает регулирующий транзистор. Выходное напряжение вновь увеличивается, процесс повторяется.

Наибольшее распространение нашли стабилизаторы с ШИМ и релейным регулированием. Далее будем рассматривать работу стабилизаторов с ШИМ.

Принцип работы понижающего

стабилизатора напряжения (рис. 3. 1, а)

В интервале (0-tи) (рис. 3. 3) присутствует сигнал управления, регулирующий транзистор открыт, к диоду прикладывается обратное напряжение – он закрыт. Через регулирующий транзистор протекает нарастающий ток, который равен току индуктивности, индуктивность накапливает энергию. В интервале (tи-Т) отсутствует сигнал управления, регулирующий транзистор закрыт, диод открыт, ток протекает по цепи VD – L – Rн – VD. Ток вентиля равен току индуктивности. Вентиль открывается напряжением, которое формируется самоиндукцией дросселя, ток в дросселе падает – индуктивность отдает накопленную энергию в нагрузку. В следующем интервале времени (Т+tи) – вновь открывается регулирующий транзистор и процесс повторяется. Максимальное напряжение на регулирующем транзисторе равно входному напряжению (Uкэ=Uвх).

Среднее значение напряжения на индуктивности за период равно нулю, поэтому:

. (3. 1)

, (3. 2)

где tи/T=γ, γ – коэффициент заполнения или относительная длительность импульса. Тогда

. (3. 3)

Принцип работы стабилизатора
напряжения повышающего типа (рис. 3. 1, б)

При подаче входного напряжения в первый момент времени выходное напряжение будет равно входному пока, регулирующий транзистор закрыт. После открытия транзистора (0-tи) (рис. 3. 5) к коммутирующему диоду прикладывается напряжение обратной полярности, равное выходному. Ток регулирующего транзистора равен току индуктивности, в индуктивности накапливается энергия. Напряжение на нагрузке формируется током разрядки конденсатора. После закрытия транзистора (tи-Т) открывается диод, к нагрузке прикладывается сумма входного напряжения и ЭДС самоиндукции дросселя. К транзистору в закрытом состоянии прикладывается выходное напряжение. С приходом следующего импульса процесс повторяется. Максимальное напряжение на регулирующем транзисторе равно выходному напряжению (Uкэ=Uвых).

Среднее значение напряжения на индуктивности за период равно нулю, поэтому:

, (3. 4)

, (3. 5)

. (3. 6)

Принцип работы стабилизатора
напряжения инвертирующего типа
(рис. 3. 1, в)

При подаче импульса управления транзистор открывается (0-tи) (рис. 3. 7), к индуктивности прикладывается напряжение, равное входному. Через транзистор и индуктивность начинает протекать ток, накапливая в дросселе энергию. К вентилю прикладывается обратное напряжение, он находится в закрытом состоянии. Напряжение на нагрузке формируется за счёт разрядки конденсатора С на нагрузку.

После запирания транзистора (tи-Т) полярность на индуктивности изменится на противоположную, она становится источником энергии. Индуктивность разряжается на нагрузку через открывшийся вентиль по цепи L – Rн –
VD – L. С приходом следующего импульса процесс повторяется. Максимальное напряжение на регулирующем транзисторе равно суме входного и выходного напряжений (Uкэ=Uвх+Uвых).

Среднее значение напряжения на индуктивности за период равно нулю, поэтому:

, (3. 7)

. (3. 8)

В импульсных стабилизаторах напряжения мощность в регулирующем транзисторе состоит из трёх компонентов:

· мощность насыщения Рнас. Это мощность, выделяемая в транзисторе в режиме насыщения,

, (3. 9)

где Iкmax – амплитуда тока, протекающего через транзистор;

Uкн – падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения;

f – частота следования импульсов;

tи – длительность импульса управления;

· мощность, выделяемая в режиме отсечки,

, (3. 10)

где Uкэ – напряжение на закрытом транзисторе;

I0 – ток, протекающий через закрытый транзистор;

· потери мощности в транзисторе во время его открывания и закрывания (во время коммутации). Диаграммы этих процессов приведены на рис. 3. 9. Исходя из них примем, что в момент включения

и ,

тогда потери на включение

,

. (3. 11)

Таким образом, во время включения транзистора мощность оказывается прямо пропорциональна частоте следования импульсов, входному напряжению и времени фронта (оно определяется частотными свойствами транзистора).

Мощность, рассеиваемая во время выключения, определяется аналогично:

, (3. 12)

где tс – время выключения транзистора.

Отсюда, коммутационные потери мощности в транзисторе определяются по формуле:

Ркфс= . (3. 13)

Способы формирования импульсного управления с ШИМ

Наибольшее распространение получили способы, использующие пилообразное напряжение для изменения длительности импульсов управления.

· Изменение заднего фронта импульса управления
(рис. 3. 10, а). Импульс управления начинает формироваться в момент начала пилы и заканчивается при превышении пилой уровня сигнала рассогласования.

· Регулировка длительности импульса с изменением переднего фронта (рис. 3. 10, б). Импульс управления начинает формироваться при снижении пилы ниже уровня сигнала рассогласования и заканчивается в момент окончания пилы.

· Комбинированный способ (рис. 3. 10, в). Импульс управления начинает формироваться при превышении пилой уровня сигнала рассогласования и заканчивается при снижении пилы ниже уровня сигнала рассогласования.

Современная электронная промышленность предлагает ШИМ-контроллеры – устройства для управления регулирующими транзисторами, включающие в себя СС и ИЭ (UC3842, UC2573), а также импульсные стабилизаторы в интегральном исполнении, в которые встроены регулирующий транзистор и коммутирующий диод (К1156ЕУ1 или ее аналог μА78S40).

ШИМ-контроллер UC2573 предназначен для управления p-канальным ключом в схеме понижающего стабилизатора напряжения (рис. 3. 11). Поэтому во время рабочего цикла на его выходе присутствует низкий уровень сигнала, отпирающий транзистор (рис. 3. 12). К выводу 7 подключается конденсатор, определяющий период формирования пилообразного напряжения и соответственно частоту работы стабилизатора. По заднему фронту пилы генератор вырабатывает короткий импульс, устанавливающий выходной триггер в «0». Во время действия этого импульса на выходе присутствует (через схему логического сложения) неактивный высокий уровень, запирающий ключевой транзистор. Длительность этого импульса называют «мертвым временем» микросхемы, в течение этого времени не происходит стабилизация. Поэтому рабочий цикл должен выбираться меньше длительности периода пилы на 10 %. По окончании этого импульса начинается формирование следующего импульса пилы и выход контроллера переводится в активное состояние.

На инвертирующий вход усилителя ошибки 1 поступает сигнал обратной связи с выхода стабилизатора. Делитель R2-R3 должен обеспечивать на входе усилителя ошибки напряжение 1,5 В

. (3. 14)

Между выходом усилителя ошибки 2 и его входом включен резистор обратной связи R4, который задает коэффициент усиления. Коэффициент усиления по отрицательному входу

, (3. 15)

коэффициент усиления по положительному входу

. (3. 16)

Сигнал на выходе усилителя ошибки

. (3. 17)

Далее сигнал с усилителя ошибки поступает на инвертирующий вход ШИМ-компаратора, на неинвертирующий вход которого подано напряжение пилы. Пока напряжение пилы меньше сигнала с усилителя ошибки на выходе ШИМ-компаратора присутствует «0». Как только напряжение пилы станет больше сигнала усилителя ошибки (рис. 3. 12), ШИМ компаратор переключается в «1», которая поступает на вход S триггера и переключает его в «1». Соответственно и выход контроллера переключается в неактивный уровень, транзистор выключается. Чем больше напряжение на отрицательном входе усилителя ошибки, тем меньше сигнал на его выходе, быстрее переключается в «1» компаратор, короче сигнал управления транзистором и соответственно меньше энергии передается в нагрузку.

В ШИМ-контроллере UC2573 предусмотрена защита по току. На вход 3 с резистора R1, который является датчиком тока, подается напряжение. Оно поступает на инвертирующий вход компаратора тока, на неинвертирующий вход которого подано напряжение U=Еп-0,43 В. В начальный момент времени напряжение на датчике тока равно Еп. Когда транзистор открывается (ток через дроссель увеличивается), напряжение на датчике тока начинает уменьшаться (рис. 3. 12). Если напряжение на датчике тока не достигает значения Еп-0,43 В, то контроллер продолжает функционировать в нормальном режиме. Если напряжение на датчике тока достигло значения Еп-0,43 В, компаратор тока переключается в «1», триггер устанавливается в «1», на выходе устанавливается неактивный высокий уровень. Транзистор закрывается, энергия в нагрузку не передается.

Стабилизатор питается выпрямленным отфильтрованным напряжением. Входное напряжение подается на 4 вывод контроллера. Далее оно поступает на модуль выработки внутренних напряжений (МВВН), который формирует внутренние опорные источники и внешний источник опорного напряжения
Еоп=3 В. При снижении входного напряжения ниже определенного уровня МВВН переведет выход микросхемы в неактивное состояние.

Если на вход усилителя ошибки подать напряжение выше 2,2 В, МВВН переведет выход контроллера в неактивное состояние, а микросхему в режим экономного потребления энергии (SLEEP режим).

Релейный стабилизатор напряжения

Схема релейного стабилизатора представлена на рис. 3. 13.

Схема состоит из следующих элементов:

· VTр – регулирующий транзистор;

· VT1 – VT2 – R1 – R2 – R5 – R6 – R7 – триггер Шмидта;

· VD1 – L – C – фильтр;

· VD2 – стабилитрон, источник опорного напряжения;

· R8 – R9 – выходной делитель напряжения.

В исходном состоянии открыт транзистор VT1, так как на его базу подаётся положительное напряжение с делителя R1 – R2. Этот транзистор открывает регулирующий транзистор VTр, через который протекает ток базы Iб=Uвх/(R4+R5). Транзистор VT2 и диод VD1 закрыты. Так как регулирующий транзистор открыт, к фильтру прикладывается входное напряжение. Выходное напряжение начинает расти, что приводит к росту напряжения на резисторе R9. После того как это напряжение превысит пороговое напряжение стабилитрона VD2, через него потечёт ток, который увеличит напряжение на резисторе R6. По мере роста выходного напряжения напряжение на резисторе R6 будет расти до тех пор, пока не превысит напряжение на резисторе R5. После этого ток базы регулирующего транзистора станет равным нулю и транзистор закроется. За счёт ЭДС самоиндукции дросселя открывается диод VD1, ток дросселя замыкается через этот вентиль. Выходное напряжение начинает уменьшаться. После того как напряжение на R6 станет меньше напряжения на R5, закроется транзистор VT2, откроются VT1 и регулирующий транзистор, процесс повторится.

При увеличении входного напряжения возрастает скорость нарастания тока, что приводит к уменьшению интервала времени, в течение которого открыт регулирующий транзистор. Это приводит к уменьшению выходного напряжения до исходной величины.

При росте тока нагрузки увеличивается скорость спада выходного напряжения. Это приводит к уменьшению времени, в течение которого закрыт регулирующий транзистор.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-11-19 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: