7.2. Вторичные импульсные стабилизаторы

Различают три основные схемы импульсных стабилизаторов [3,8]:

• с понижением выходного напряжения;

• с повышением выходного напряжения;

• повышающе- понижающая схема.

Структурная схема понижающего стабилизатора и временные диаграммы его работы показана на рис.7.1. Выходное напряжение пропорционально отношению времени транзистора во включенном состоянии t_откр к периоду коммутации Т и равно

U_вых=U_вх(t_откр/ Т).

Транзистор VT переключается с частотой несколько десятков килогерц. Когда транзистор включен, ток протекает через катушку индуктивности и нагрузку. Напряжение на катушке индуктивности будет равноU_L=U_вх–U_{кэ нас}–U_выхU_вх–U_вых=const. Ток индуктивности возрастает линейно во времени т.к. скорость изменения тока индуктивностиI/t=U_L/L=const. Приращение тока индуктивности за времяt_откр, когда транзистор открыт будет равно

IL= (UL/L)tоткр= (Uвх–Uвых)tоткр/L.

7.1

Когда транзистор закрывается, вследствие самоиндукции меняется полярность напряжения на концах индуктивности. Диод VDсмещается в прямом направлении и катушка индуктивности за счет запасенной энергии становится источником питания нагрузки. В течение времениt_закр, когда транзистор закрыт, напряжение на индуктивности будет равноU_L= -U_VD–U_вых-U_вых. Ток индуктивности снижается линейно, т.к.

I/t = UL/L = - Uвых / L = const.

Уменьшение тока индуктивности за время t_закрбудет равно

IL= (UL/L)tзаккр=Uвыхtзаккр/L.

7.2

Изменение тока индуктивности, протекающего в течение времени t_откр, должно быть таким же, как и в течение времениt_заккр. Приравнивая значения изменения тока индуктивности, из формул 7.1 и 7.2 получим

(Uвх–Uвых)tоткр/L=Uвыхtзаккр/L.

Отсюда находим величину выходного напряжения

U_вых=U_вхt_откр/(t_откр+t_заккр) =U_вх(t_откр/ Т),

Где Т = t_откр+t_заккр– период следования управляющих импульсов.

Выходной ток будет равен I_вых=I_{L max}– (1/2)I_L.

Структурная схема и временные диаграммы, поясняющие работу стабилизатора с повышением выходного напряжения, показаны на рис.7.2. Когда транзистор открыт, напряжение на индуктивности будет равно входному напряжению U_L=U_вх. Ток индуктивности линейно увеличивается и его приращение будет равно

IL= (UL/L)tоткр=Uвхtоткр/L.

7.3

При запирании транзистора вследствие явления самоиндукции на катушке индуктивности изменяется знак напряжения. Диод смещается в прямом направлении и открывается. Напряжение на выходе увеличивается на величину равную напряжению на индуктивности минус падение напряжения на диоде

Uвых=Uвх+UL–UVD.

Пренебрегая напряжением на диоде напряжение на индуктивности будет равно

UL=Uвых-Uвх+UVD Uвых-Uвх.

Изменение тока индуктивности найдем по формуле

IL= (UL/L)tоткр= (Uвых–Uвх)tоткр/L.

7.4

Как и в предыдущем случае приравняем приращения токов индуктивности в формулах 7.3 и 7.4 и получим выражение для выходного напряжения

U_вых=U_вх(t_откр+t_заккр) /t_закр=U_вх(Т /t_закр),

Диод в схеме необходим для предотвращения замыкания нагрузки на землю, в то время, когда транзистор открыт.

Структурная схема и временные диаграммы повышающе – понижающего импульсного стабилизатора представлены на рис.7.3. На выходе этого стабилизатора можно получить напряжение как больше входного, так и меньше в зависимости от соотношения между временами, когда транзистор открыт и когда закрыт. Рассуждая аналогично, как и в предыдущих случаях найдем зависимость выходного напряжения от соотношения времен, когда транзистор находится в открытом и закрытом состоянии. Когда транзистор открыт напряжение на индуктивности равно U_L=U_вх, диодVDзакрыт. Напряжение на нагрузке поддерживается за счет энергии, накопленной в конденсаторе. Приращение тока индуктивности будет равно

IL= (UL/L)tоткр=Uвхtоткр/L.

7.5

Когда транзистор закрывается, вследствие самоиндукции на коллекторе транзистора появляется отрицательный потенциал, диод VDоткрывается и конденсатор подзаряжается до некоторого отрицательного напряжения. Пренебрегая напряжением на диоде, напряжение на индуктивности будет равноU_L= -U_вых. Изменение тока индуктивности за это время составит

IL= (UL/L)tзакр= -Uвыхtзакр/L.

7.6

Приравнивая изменения напряжения на индуктивности в формулах 7.5. и 7.6 получим

U_вых= -U_вх(t_откр/t_закр).

Следует отметить, что напряжение на выходе стабилизатора имеет знак противоположный знаку входного напряжения. Выходное напряжение может быть больше или меньше входного в зависимости от соотношения временt_откриt_закр.

Импульсные стабилизаторы не могут работать без нагрузки или при U_вых=U_вх, потому что в этих случаях ток не будет протекать через катушку.

Устройство управления для всех трех видов стабилизатора одинаковое. Структурная схема устройства управления показана на рис.7.4. Оно осуществляет сравнение выходного напряжения с опорным. Если выходное напряжение меньше опорного, то модулятор увеличивает время, в течение которого транзистор открыт. Период импульсов управления остается неизменным и задается с помощью тактового генератора.