7.5 Импульсные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы могут действовать по различным видам схем, в том числе и подобным рисунку 7.11 компенсационного стабилизатора, но силовые транзисторы в них работают в импульсном (ключевом) режиме, поэтому КПД, массогабаритные показатели, удельная мощность близки к предельно возможным. Только они способны удовлетворить требованиям таблиц 7.1, 7.2.

Предельно возможная величина КПД обуславливается ключевым режимом, при котором регулирующий элемент (транзистор) либо открыт, либо закрыт. Свойства ключевых режимов подробно проанализированы в разделе 1 «Ключи». Массогабаритные показатели улучшаются потому, что ключи действуют на повышенных частотах, для трансформации необходимы магнитопроводы, числа витков значительно меньшего и размера и количества. Так, если при частоте 50 Гц трансформатор 100-200 Вт весит больше килограмма, то при 20 кГц достаточно небольшое ферритовое кольцо. Но частота переключений может быть 200 кГц и больше, это зависит от совершенствования схем и качества ключевых транзисторов.

Два существенных недостатка свойственны ключевым стабилизаторам. Первый связан с тем, что обычно сетевое напряжение 220 В выпрямляют в постоянное (AC/DC), затем преобразуют в высокочастотные импульсы, которые трансформируют во вторичные обмотки с целью получения необходимого уровня напряжения, а также гальванической развязки. Но замыкать и размыкать цепи постоянного тока под напряжением 250 В (имеется в виду, что выпрямленное напряжение 220 В переменного тока всегда больше цифры 220 В) – это означает образовывать крутые фронты и спады, скачки высокого уровня при значительных токах, т.е. мощные электромагнитные броски, защититься от которых трудно, несмотря на наличие набора конденсаторов и экранирование.

Второй недостаток объясняется импульсностью действия схемы. Если в результате каких-либо внешних воздействий в стабилизируемом напряжении возникает помеха (нарастающий или убывающий импульс), то схема обратной связи не может его отработать, например, на интервале закрытого состояния ключа, потому что он закрыт, т.е. неуправляем. И только спустя некоторое время, определяющееся свойством прямых цепей и цепей обратной связи, схема компенсирует помеху в выходном напряжении.

В этом отношении непрерывные компенсационные стабилизаторы имеют преимущество по сравнению с импульсными. В них помеха также отрабатывается с задержкой, определяемой свойствами схемы с обратными связями, однако дискретности (импульсности) отработки нет.

В начальном периоде развития электроники, для относительно небольших напряжений питания, безопасных по отношению к обслуживающему персоналу, случайно прикасающемуся к токоведущим цепям, разработаны три варианта импульсных стабилизаторов: понижающий, повышающий и инверсный, схемы которых приведены на рисунке 7.12.

Рисунок 7.12 – Схемы импульсных стабилизаторов

Схему рисунка 7.12, а) иногда называют чопперной (от chopper - прерыватель). Когда ключ VT открыт, VD закрыт, ток протекает по цепи: , открытыйVT, индуктивность L, параллельно включенные емкостьи нагрузка. После закрыванияVT удовлетворяется закон сохранения тока: под действием ЭДС самоиндукции ток протекает по контуру: индуктивность L слева направо, параллельно включенные емкость и нагрузка, диодVD, вновь индуктивность. Этот ток убывает по экспоненте (могут быть колебания). Система управления с отрицательной обратной связью стабилизирует схему. Выходное напряжение всегда меньше входного.

В схеме рисунка 7.12, б) выходное напряжение может быть больше в сравнении с наименьшим входным, поэтому ее еще называют бустерной. Физический смысл здесь в том, что импульсный регулирующий элемент (ключ VT) включен последовательно с индуктивностью L. Когда он замкнут (транзистор VT открыт), ток протекает по цепи: , индуктивность L, открытый ключ VT, . Ток нарастает по экспоненте, или имеет нарастающий колебательный характер, и конечная величина его определяется только возможностями этой цепи, а также длительностью импульса (длительностью открытого состояния ключа). ДиодVD при этом закрыт плюсовой полярностью напряжения конденсатора по цепи:, диодVD в обратном направлении, открытый VT, .

В момент закрывания транзистора VT, вследствие наличия индуктивности L, удовлетворяется закон сохранения тока. Последний протекает по цепи: индуктивность L слева направо, диод VD в прямом направлении, параллельно включенные фильтр и нагрузка , источник питания , вновь индуктивностьL. Но так как этот ток может быть достаточно большим, то он и выделяет на нагрузке более высокое напряжение, в сравнении с тем, которое может создать источник питания. Практически такое превышение может достигать пятикратной величины.

В схеме рисунка 7.12, в) на интервале импульса открытого состояния ключа VT ток протекает по цепи: источник , открытыйVT,индуктивность L, . ДиодVD закрыт в обратном направлении, индуктивность L накапливает энергию. После размыкания ключа VT ток протекает в индуктивности L в том же направлении (сверху вниз, как показано стрелкой) и в первое мгновение той же величины, далее через параллельную группу , а также диод VD в прямом направлении. Следовательно, знак + полярности напряжения на нагрузке будет внизу, т.е. стабилизируемое напряжение инвертируется. Т.к. накопление энергии в индуктивности L для схем б) и в) одинаково, то схема в) также может быть бустерной, повышающей.

Последующее развитие электроники предложило новые образцы схем импульсных стабилизаторов. Идеи, которые были приняты здесь в основу, состояли в следующем.

Прежде всего напряжение питания на выходе стабилизатора должно быть гальванически отделено от сетевого напряжения (напряжение в розетке 220 В), т.е. те, кто пользуются электронными приборами, должны быть защищены с точки зрения техники безопасности. Следовательно, необходим силовой трансформатор с первичной и вторичной обмотками. Но на частотах сети 50…60 Гц размеры и вес трансформатора недопустимо велики. Необходимо выпрямить сетевое напряжение и преобразовать его в импульсы с частотой несколько сот килогерц. В этом случае размеры трансформатора получаются приемлемыми.

С другой стороны, большинство бытовых потребителей имеют небольшую мощность. Поэтому стабилизаторы для них можно делать на однотактном принципе. В итоге разработаны два варианта схем: прямоходовые (forward) и обратноходовые (flyback), изображенные на рисунке 7.13.

Рисунок 7.13 – Схемы прямоходового (а) и обратноходового (б) однотактных стабилизаторов

Эти схемы почти одинаковы, тем не менее, процессы в них протекают по-разному. Из теоретических основ электротехники (ТОЭ) известно, что в упрощенном виде схемы трансформаторов можно изображать в приближенном эквивалентном виде без вторичных обмоток. Воспользуемся этим приемом и изобразим схемы рисунка 7.13, а), б) в упрощенном виде, как на рисунке 7.14.

Рисунок 7.14 – Эквивалентные схемы прямоходового и обратноходового стабилизаторов

Диод VD1 на схеме рисунка 7.14, б) изображен внизу потому, что на схеме 7.13, б) звездочки одноименных выводов трансформатора Тр расположены внизу для w₁ и вверху для w₂. Таким образом, отличия схем а) и б) в том, что концы обмоток изменили свое положение на противоположное, кроме того диод VD1 в схеме б) включен в нижней части схемы. Если ключ замкнут (транзистор VT открыт), то в схеме а) одновременно протекают два тока I₁ и I₂. Первый нарастает при простейшей аппроксимации по экспоненте, второй заряжает конденсатор С_ф, напряжение на нем нарастает (примем тоже экспоненту), образуя пропорциональные ток и напряжение на нагрузке.

В момент закрывания ключа должен удовлетворяться закон сохранения тока, т.е. предполагается, что ток I₁ протекает в том же направлении по цепи: w₁ сверху вниз (в том же направлении), нагрузка С_ф-R_н, индуктивность L_ф, диод VD1 в обратном направлении. Но диод VD1 не может пропускать ток в обратном направлении, образуется разрыв как через ключ, так и в цепи VD1. Возникает ЭДС самоиндукции, стремящаяся преодолеть эти разрывы, удовлетворить закон сохранения тока. Как ключ VT, так и диод VD1 могут быть пробиты. Необходимы схемы защиты от пробоя, известны различные варианты, но идеального решения нет.

В схеме б) при открытом ключе VT ток I₁ протекает через w₁, диод VD1 закрыт плюсом напряжения С_ф. Энергия накапливается в w₁ и магнитопроводе. При размыкании ключа ток под действием ЭДС самоиндукции протекает в том же направлении, сверху вниз в w₁, далее через VD1, индуктивность L_ф, нагрузку и опять по w₁ сверху вниз, т.е. удовлетворяется закон сохранения тока, ЭДС самоиндукции имеет небольшую (неразрушительную) величину. Т.о., в схеме б) ток в цепи нагрузки образуется на интервале закрытого состояния ключа, отсюда и название – обратноходовая, в сравнении с а), где ток протекал на интервале открытого ключа – прямоходовая.

В практической электронике чаще применяют обратноходовую схему, имеющую меньше проблем с защитой ключа от ЭДС самоиндукции, как было отмечено в предыдущем абзаце.

На рисунке 7.15 приведена реальная схема обратноходового импульсного стабилизатора, реализующая изложенные принципы организации электронных процессов. Разработана фирмой Texas Instruments (журнал «Электронные компоненты» №12, 2006г.). Схема полностью удовлетворяет требованиям таблиц 7.1 и 7.2. Она состоит из двух частей, верхней и нижней. Верхняя часть выпрямляет сетевое напряжение, а также корректирует коэффициент мощности на основе UCC28501. Нижняя часть преобразует выход верхней схемы в импульсы MOSFET ключом, трансформирует их с гальванической развязкой, выпрямляет, фильтрует и стабилизирует в напряжение постоянного тока 19,4 В. Сигнал обратной связи, стабилизирующий процессы, поступает с выхода через оптическую гальваническую развязку (CNY17-1) на один из входов контроллера UCC28600.

Рисунок 7.15 – Принципиальная схема 120-Вт энергосберегающего источника питания на основе UCC28600