В импульсных стабилизаторах (ИСН) регулирующий транзистор работает в режиме переключения, в результате чего рассеиваемая на нем мощность гораздо меньше, а КПД выше, чем в непрерывном стабилизаторе. Структурная схема импульсного стабилизатора (рис. 1, а) содержит силовую цепь и схему управления СУ.
![]() | ![]() |
а) | б) |
Рис. 1
Силовая цепь состоит из регулирующего транзистора VT, дросселя Др, конденсатора С и обратного диода VD. При открытом транзисторе в течение времени энергия от входного источника постоянного тока
передается в нагрузку через дроссель Др, в котором накапливается энергия. При закрытом транзисторе в течение времени
накопленная в дросселе энергия поступает в нагрузку через диод VD.
Период коммутации
Частота коммутации
Отношение длительности открытого состояния транзистора, при котором генерируется импульс напряжения длительностью , к периоду коммутации Т называется коэффициентом заполнения
В импульсном стабилизаторе регулирующий элемент преобразует (моделирует) входное постоянное напряжение в серию импульсов, а сглаживающий фильтр, состоящий из диода VD, дросселя Др и конденсатора С, демодулирует их опять в постоянное напряжение
. При изменении входного напряжения
или ток в нагрузке
с помощью цепи обратной связи (схемы управления СУ) длительность импульсов изменяется таким образом, что выходное напряжение
поддерживается постоянным с определенной степенью точности. В таком стабилизаторе
, поэтому он называется понижающим. Существуют повышающий
и инвертирующий
стабилизаторы, силовые цепи которых состоят из тех же элементов, что и понижающего, но включены в другом порядке. Чаще применяется понижающий стабилизатор, как имеющий меньшее внутреннее сопротивление.
В зависимости от способа стабилизации выходного напряжения различают стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ), релейные стабилизаторы.
В ИСН с ШИМ (рис. 2, а) длительность импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра при постоянной частоте их следования обратно пропорциональна значению .
![]() | ![]() | ![]() |
а) | б) | в) |
Рис. 2
В ИСН с ЧИМ (рис. 2, б) длительность импульсов напряжения является постоянной величиной, а интервалы между ними изменяются пропорционально (следовательно, частота обратно пропорциональна) .
В релейном стабилизаторе формирование импульсов происходит в моменты пересечения напряжением двух горизонтальных уровней: нижнего - при формировании фронта и верхнего - при формировании среза. Поскольку изменение
в зависимости от
и
может быть различным, то и частота в такой системе регулирования может изменяться в широких пределах (рис. 2, в).
ИСН с ШИМ имеют следующие преимущества по сравнению со стабилизаторами двух других типов:
обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота преобразования, которая является неизменной, что имеет существенное значение для большинства потребителей;
реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИСН, что исключает опасность возникновения биений частот при питании нескольких ИСН от общего первичного источника.
Недостатком ИСН с ШИМ в отличие от стабилизаторов релейного типа является более сложная схема управления.
Отсутствие у ИСН с ЧИМ и релейных свойств, определяющих преимущества ИСН с ШИМ, является недостатком первых двух. К недостаткам релейного стабилизатора относятся большие пульсации напряжения на нагрузке, а к его преимуществам - простота схемы управления.
В зависимости от индуктивности дросселя, тока нагрузки, частоты преобразования, входного и выходного напряжений все три типа импульсных стабилизаторов независимо тот способа стабилизации выходного напряжения могут работать в режиме непрерывных или прерывистых токов, протекающих через дроссель. Временные диаграммы изменений токов и напряжений в установившемся режиме для стабилизатора понижающего типа приведены на рис. 3.
В момент поступления импульса управляющего напряжения транзистор открывается, и поскольку диод VD из-за его инерционности не может мгновенно включаться, все напряжение питания оказывается приложенным к переходу коллектор-эмиттер транзистора. Его коллекторный ток начинает резко возрастать до максимального значения , которое зависит от скорости нарастания базового тока, коэффициента усиления и частотных свойств транзистора, а также от времени рассасывания неосновных носителей
в базовой области силового диода. Если частотные свойства транзистора намного хуже импульсных свойств диода, то выброс коллекторного тока отсутствует.
С момента обратный ток диода уменьшается до
, коллекторный ток транзистора падает до
: а
до напряжения насыщения
. В течение времени
ток, протекающий через дроссель, увеличивается до
, напряжение на диоде равняется
.
После окончания импульса транзистор закрывается через время рассасывания
и ток дросселя начинает спадать через открытый диод до
. При этом напряжение
. Затем весь процесс повторяется.
![]() | Если индуктивность дросселя будет меньше некоторой критической величины, возникает режим прерывистых токов (в некоторые отрезки времени ![]() |
Рис. 3