Главная > Стабилизаторы и ИБП > Импульсный стабилизатор напряжения

Импульсный стабилизатор напряжения

Все стабилизирующие устройства делятся на два основных типа – линейные и импульсные. И вроде бы линейные устройства проще устроены, но имеют несколько недостатков, к примеру – низкий КПД и значительное выделение тепла при работе. Поэтому при подключении мощной нагрузки такое устройство должно быть довольно большим, а к тому же, оно будет рассеивать много энергии впустую.

Чтобы избежать этих минусов, можно использовать импульсный стабилизатор напряжения – прибор, который сглаживает скачки при помощи ключа (транзистора) и накопителя. Он обладает высоким КПД, практически не тратит энергию на нагрев, и обладает неплохими показателями стабилизации.

Принцип работы

Состоит такой прибор из ключа, способного моментально менять сопротивление (тиристора или транзистора), и интегратора (обычно – конденсатор с резистором перед ним, но может быть и дроссель, и аккумулятор), который способен накапливать заряд, а потом отдавать его потребителю.

Импульсный стабилизатор

Все импульсные стабилизаторы накапливают заряд в режиме закрытого ключа (отсечка), и в этом случае транзистор включен в режим бесконечного сопротивления. После – устройство отдает ток в нагрузку в режиме открытого ключа (насыщения), тут уже транзистор работает практически с нулевым сопротивлением. Так как этот процесс повторяется циклически, питание подается на нагрузку прерывисто – в виде импульсов заданной частоты, из чего и происходит название такого вида стабилизаторов.

Разновидности импульсных стабилизаторов

Все стабилизирующие устройства импульсного типа по типу управления можно поделить на такие группы:

  • Ключевой с триггером Шмитта;
  • Ключевой с широтно-импульсной модуляцией;
  • С частотно-импульсной модуляцией.

С триггером Шмитта

Импульсный стабилизатор напряжения, схема которого приведена ниже, содержит в себе инвертирующий триггер Шмитта, и еще известен как релейный, или стабилизатор с двухпозиционным регулированием.

Стабилизатор с триггером Шмитта

Триггер содержит в себе компаратор, который сравнивает значение напряжения в емкости с  максимально и минимально допустимыми значениями. Если показатель находится в допустимых пределах – положение ключа неизменно, как только достигается критическое значение – ключ изменяет положение. Этот процесс протекает циклично.

С ШИМ-модуляцией

Все работает так же, как и в предыдущей схеме, однако есть еще усилитель, генератор и модулятор. Модулятор сравнивает данные накопителя с опорным вольтажом, и при необходимости усиливает разность, поступающую на модулятор. Таким образом, регулируется время открытия или закрытия ключа (продолжительность импульса).

Стабилизатор с ШИМ модуляцией

В подобной схеме частота преобразования не зависит от тока и напряжения на входе, а определяется лишь частотами на тактовом генераторе.

С частотно-импульсной модуляцией

В таком варианте исполнения прибора, импульс открытия ключа имеет постоянную длительность, а вот частота следования самих импульсов уже зависит от разности между опорным  выходным напряжением. Допустим, вырос ток на потребителе, или наоборот – упало входное напряжение – в таком случае вырастет и частота импульсов стабилизации.

В таких приборах ключ зачастую управляется мультивибратором с управляемой частотой.

По разновидностям силовой части стабилизатора выделяют такие схемы импульсных стабилизаторов:

  • Понижающий;
  • Повышающий;
  • Инвертирующий.

Понижающий

Это довольно надежные устройства, постоянно имеющие на выходе вольтаж меньше, чем на входе. Простейшая схема импульсного стабилизатора напряжения на на 12 В показана ниже:

Импульсный понижающий стабилизатор

При подаче управляющего напряжения, транзистор переходит в режим насыщения, ток движется по цепи от плюса по дросселю к нагрузке. При отключении управляющего  сигнала – транзистор закрывается, и переходит в режим отсечки. И снова при подаче отпирающего напряжения открывается ключ – весь цикл повторяется.

Повышающий

Данная схема используется там, где разность потенциалов нагрузки значительно выше, чем вольтаж на входе. Когда транзистор включен в режим насыщения, так идет от плюса по дросселю к транзистору. При отключении управляющего напряжения на транзисторе, и на дросселе возникает ЭДС самоиндукции.

Повышающий импульсный стабилизатор

Получится, что она подключена последовательно с входящим током, и через диод коммутирована с нагрузкой.  Таким образом, получается, что магнитное поле дросселя продуцирует энергию, а емкость накапливает заряд для выдачи тока на потребителя, когда транзистор перейдет в режим насыщения. Выходит, что в данной схеме дроссель служит резервной емкостью для сглаживания скачков и просадок.

Инвертирующий

Как понятно из названия, этот тип стабилизатора может, как понижать, так и повышать показатели сети относительно входящих значений. Схема, по сути, повторяет предыдущую, за тем отличием, что диод с сопротивлением и емкостью подключаются параллельно дросселю, а не ключу. Амплитуда пульсаций в таком варианте устройства зависит от емкости конденсатора, а дроссель в данной схеме уже не является частью фильтра.

Инвертирующий импульсный стабилизатор

Есть еще один вид устройств – регулируемый импульсный стабилизатор напряжения. В таком приборе выходящий ток обычно регулируется при помощи изменяемого сопротивления, или реостата. Благодаря возможности настройки, такой тип стабилизаторов можно использовать для питания потребителей с разным напряжением – достаточно лишь правильно подобрать номинал резистора.

Важно знать, что все перечисленные выше устройства призваны стабилизировать показатели сети только при работе с постоянным током, к примеру, такой импульсный стабилизатор напряжения на 12 Вольт отлично подойдет для бортовой сети автомобиля. Но если прибор планируется применять в бытовой сети с переменным током, то в схему обязательно нужно вносить изменения – ставить выпрямитель, а также фильтр сглаживания.

Части для сборки стабилизатора

Еще один нюанс – возникновение высокочастотных помех при стабилизации. Чтобы минимизировать этот эффект, необходимо использовать фильтры, причем как на входе, так и на выходе стабилизирующего прибора.

Преимущества и недостатки

Как и любой другой стабилизатор, импульсное устройство обладает рядом преимуществ и недостатков. Среди главных достоинств стоит отметить:

  • Хорошие показатели стабилизации;
  • Высокий КПД (при использовании транзистора в качестве ключа);
  • Мягкое включение в работу;
  • Малые габариты устройства (в сравнении с линейными аналогами).

Однако есть и ряд недочетов, которые тоже нужно иметь ввиду:

  • При использовании диода имеются потери на нагрев;
  • Наличие множества элементов снижает общую надежность;
  • Необходимость тонкой (довольно сложной) настройки прибора;
  • Сложности в ремонте – при поломке диагностировать неисправность должен профессионал.

Но, не смотря на все эти недостатки, импульсные стабилизаторы напряжения широко используются в быту. Как пример – блоки питания во всех современных компьютерах – импульсные.

Моменты, которые остались неясны, вы можете уточнить, посмотрев это видео:

Читайте также:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.