Блок питания: с регулировкой и без, лабораторный, импульсный, устройство, ремонт. Импульсный регулируемый стабилизатор на микросхеме Как это работает

За последние 10-20 лет количество бытовой электроники многократно выросло. Появилось огромное разнообразие электронных компонентов и готовых модулей. Возросли и требования к питанию, для многих требуется стабилизированное напряжение или стабильный ток.

Драйвер чаще всего используется как стабилизатор тока для светодиодов и зарядки автомобильных аккумуляторов. Такой источник теперь есть в каждой светодиодном прожекторе, лампе или светильнике. Рассмотрим все варианты стабилизации, начиная от старых и простых до самых эффективных и современных. Еще они называются , led driver.

1. Типы стабилизаторов
2. Популярные модели
3. Стабилизатор для светодиодов
4. Драйвер на 220 В
5. Стабилизатор тока, схема
6. LM317
7. Регулируемый стабилизатор тока
8. Цены в Китае

Типы стабилизаторов

Импульсные регулируемые постоянного тока

15 лет назад на первом курсе я сдавал зачёты по предмету «Источники питания» для радиоэлектронной аппаратуры. Начиная с тех пор и до сегодняшнего времени, самым народным и популярным остаётся микросхема LM317 и её аналоги, которая относится к классу линейных стабилизаторов.

На данный момент есть несколько видов стабилизаторов напряжения и тока:

линейные до 10А и входным напряжением до 40В;
импульсные с высоким входным напряжением, понижающие;
импульсные с низким входным напряжением, повышающие.

На импульсном ШИМ контроллере обычно от 3 до 7 ампер по характеристикам. В реальности зависит от системы охлаждения и КПД в конкретном режиме. Повышающий из низкого входного напряжения на выходе делает более высокое. Такой вариант используется для от блоков питания с малым количеством вольт. Например в автомобиле, когда из 12В надо сделать 19В или 45В. С понижающим проще, высокое снижается до нужного уровня.

Про все способы питания светодиодов читайте в статье « к 12 и 220В». Отдельно описаны схемы подключения от простейших за 20 руб до полноценных блоков с хорошим функционалом.

По функционалу они делятся на специализированные и универсальные. Универсальные модули обычно имеют 2 переменных сопротивления, для настройки Вольт и Ампер на выходе. Специализированные чаще всего не имеют построечных элементов и значения на выходе фиксированы. Среди специализированных, распространены стабилизаторы тока для светодиодов, схемы в большом количестве есть в интернете.

Стабилизатор для светодиодов

Сделать стабилизатор тока для светодиодов своими руками проще всего на LM317, требуется только рассчитать резистор для светодиода на онлайн калькуляторе. Питание можно использовать подручное, например:

блок питания от ноутбука на 19V;
от принтера на 24В и 32В;
от бытовой электроники на 12 вольт, 9V.

Преимущества такого преобразователя, это низкая цена, легко купить, минимум деталей, высокая надежность. Если схема стабилизатора тока сложнее, то собирать её своими руками становится не рационально. Если вы не радиолюбитель, то импульсный стабилизатор тока проще и быстрее купить. В дальнейшем его можно доработать до необходимых параметров. Подробнее вы можете узнать в разделе «Готовые модули».

Драйвер на 220 В

Если вас интересует драйвер для светодиода на 220в, то лучше его заказать или купить. Они имеют среднюю сложность изготовления, но настройка отнимет больше времени и потребуется опыт по наладке.

Светодиодный драйвер на 220 можно извлечь из неисправных светодиодных ламп, светильников и прожекторов, у которых неисправна цепь со светодиодами. К тому же практически любой имеющийся драйвер можно доработать. Для этого узнайте модель ШИМ контроллера, на котором собран преобразователь. Обычно параметры на выходе задаются резистором или несколькими. По даташиту (datasheet) посмотрите, какое сопротивление должно быть, чтобы получить нужные Амперы.

Если поставить регулируемый резистор рассчитанного номинала, то количество Ампер на выходе будет настраиваемым. Только не превышайте номинальную мощность, которая была указана.

Стабилизатор тока, схема

Мне приходится часто просматривать ассортимент на Aliexpress в поисках недорогих но качественных модулей. Разница по стоимости может быть в 2-3 раза, время уходит на поиск минимальной цены. Но благодаря этому делаю заказ на 2-3 штуки для тестов. Покупаю для обзоров и консультаций производителей, которые покупают комплектующие в Китае.

В июне 2016 года оптимальным выбором стал универсальный модуль на XL4015, цена которого 110руб с бесплатной доставкой. Его характеристики подходят для подключения мощных светодиодов до 100 Ватт.

Схема в режиме драйвера.

В стандартном варианте корпус XL4015 припаян к плате, которая служит радиатором. Для улучшения охлаждения на корпус XL4015 надо поставить радиатор. Большинство ставят его сверху, но эффективность такой установки низкая. Лучше систему охлаждения ставить снизу платы, напротив места пайки микросхемы. В идеале её лучше отпаять и поставить на полноценный радиатор через термопасту. Ножки скорее всего придется удлинить проводами. Если потребуется такое серьезное охлаждение контроллеру, то оно потребуется и диоду Шотки. Его тоже придётся поставить на радиатор. Такая доработка значительно повысит надежность всей схемы.

В основном модули не имеют защиты от неправильной подачи питания. Это моментально выводит их из строя, будьте внимательны.

LM317

Применение (крен) даже не требует каких либо навыков и знаний по электронике. Количество внешних элементов в схемах минимально, поэтому это доступный вариант для любого. Её цена очень низкая, возможности и применение многократно испытаны и проверены. Только она требует хорошего охлаждения, это её основной недостаток. Единственное стоит опасаться низкокачественных китайских микросхем ЛМ317, которые имеют параметры похуже.

Микросхемы линейной стабилизации из-за отсутствия лишних шумов на выходе, использовал для питания высококачественных ЦАП класса Hi-Fi и Hi-End. Для ЦАП огромную роль играет чистота питания, поэтому некоторые используют аккумуляторы для этого.

Максимальная сила для LM317 составляет 1,5 Ампера. Для увеличения количества ампер можно добавить в схему полевой транзистор или обычный. На выходе можно будет получить до 10А, задаётся низкоомным сопротивлением. На данной схеме основную нагрузку на себя берёт транзистор КТ825.

Другой способ, это поставить аналог с более высокими техническими характеристиками на большую систему охлаждения.

Регулируемый стабилизатор тока

Меня как радиолюбителя со стажем 20 лет радует ассортимент продаваемых готовых блоков и модулей. Сейчас из готовых блоков можно собрать любое устройство за минимальное время.

Я начал терять доверие к китайской продукции, после того, как у видел в «Танковом биатлоне», как у лучшего китайского танка отпало колесо.

Лидером по ассортименту блоков питания, преобразователей тока DC-DC, драйверов стали китайские интернет-магазины. У них в свободной продаже можно найти практически любые модули, если поискать получше, то и очень узкоспециализированные. Например за 10.000 т.руб можно собрать спектрометр стоимостью 100.000 руб. Где 90% цены это накрутка за бренд и немного доработанный китайский софт.

Цена начинается от 35руб. за DC-DC преобразователь напряжения, драйвер подороже и отличается двумя тремя подстроечными резисторами, вместо одного.

Для более универсального использования лучше подходит регулируемый драйвер. Основное отличие, это установка переменного резистора в цепи, задающей амперы на выходе. Эти характеристики могут быть указаны в типовых схемах включения в спецификациях на микросхему, даташит, datasheet.

Слабые места таких драйверов, это нагрев дросселя и диода Шотки. В зависимости от модели ШИМ контроллера, они выдерживают то 1А до 3А без дополнительного охлаждения микросхемы. Если выше 3А, то требуется охлаждение ШИМ и мощного диода Шотки. Дроссель перематывают более толстым проводом или заменяют на подходящий.

КПД зависит от режима работы, разницы напряжения между входом и выходом. Чем выше коэффициент полезного действия, тем ниже нагрев стабилизатора.

Цены в Китае

Стоимость очень низкая, с учетом того, что доставка включена в цену. Раньше я думал, что из-за товара за 30-50 руб китайцы даже и мараться не будут, много работы при малом доходе. Но как показала практика, я ошибался. Любую копеечную ерунду они упаковывают и отсылают. Приходит в 98% случаев, а закупаю на Aliexpress уже более 7 лет и на большие суммы, наверное уже около 1 млн руб.

Поэтому оформляю заказ заранее, обычно 2-3 штуки одного наименования. Ненужное распродаю на местном форуме или Авито, всё расходится как горячие пирожки.

Для нормального функционирования бытовой техники требуется стабильное напряжение. Как правило, в сети могут происходить различные сбои. Напряжение от 220 В может отклоняться, и в устройстве происходят сбои. В первую очередь под удар попадают лампы. Если рассматривать бытовую технику в доме, то могут пострадать телевизоры, аудиоаппаратура и прочие приборы, которые работают от электросети.

В данной ситуации на помощь людям приходит импульсный стабилизатор напряжения. Он в полной мере способен справиться со скачками, которые возникают ежедневно. Многих при этом волнует вопрос о том, как появляются перепады напряжения, и с чем они связаны. Зависят они главным образом от загруженности трансформатора. На сегодняшний день количество электроприборов в жилых домах все время увеличивается. Как результат, потребности в электричестве непременно растут.

Также следует учитывать, что к жилому дому могут быть проложены кабели, которые уже давно устарели. В свою очередь, квартирная проводка в большинстве случаев не рассчитана на большие нагрузки. Чтобы обезопасить свою технику в доме, следует более подробно ознакомиться с устройством стабилизаторов напряжения, а также принципом их работы.

Какие функции выполняет стабилизатор?

Главным образом импульсный стабилизатор напряжения служит контролером сети. Все скачки при этом отслеживаются им и устраняются. В результате техника получает стабильное напряжение. Электромагнитные помехи стабилизатором также учитываются, и на работу устройств не способны повлиять. Таким образом, сеть избавляется от перегрузок, и случаи практически исключаются.

Устройство простого стабилизатора

Если рассматривать стандартный импульсный напряжения, то в нем устанавливается только один транзистор. Как правило, их используют исключительно коммутирующего типа, поскольку на сегодняшний день они считаются более эффективными. В результате коэффициент полезного действия устройства можно сильно поднять.

Вторым важным элементом импульсного стабилизатора напряжения следует назвать диоды. В обычной схеме их можно встретить не больше трех единиц. Соединяются они друг с другом с помощью дросселя. Для нормальной работы транзисторов важными являются фильтры. Устанавливаются они в начале, а также конце цепочки. При этом блок регулирования отвечает за работу конденсатора. Его неотъемлемой частью принято считать резисторный делитель.

Как это работает?

В зависимости от типа устройства, принцип действия импульсного стабилизатора напряжения может отличаться. Рассматривая стандартную модель, можно сказать, что сначала ток подается на транзистор. На данном этапе происходит его преобразование. Далее в работу включаются диоды, в обязанности которых входит передача сигнала на конденсатор. При помощи фильтров, электромагнитные помехи отсеиваются. Конденсатор в этот момент сглаживает колебания напряжения и по дросселю ток через резистивный делитель вновь возвращается к транзисторам для преобразования.

Самодельные устройства

Сделать импульсный стабилизатор напряжения своими руками можно, но они будут иметь малую мощность. При этом резисторы устанавливаются самые обычные. Если использовать в приборе более одного транзистора, можно добиться высокого коэффициента полезного действия. Важным заданием в этом плане является установка фильтров. Именно они влияют на чувствительность прибора. В свою очередь, габариты устройства совсем не важны.

Стабилизаторы с одним транзистором

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения данного типа способен похвастаться коэффициентом полезного действия на уровне 80 %. Как правило, он функционируют только в одном режиме и может справляться только с малыми помехами в сети.

Обратная связь в данном случае полностью отсутствует. Транзистор в стандартной схеме импульсного стабилизатора напряжения функционирует без коллектора. В результате на конденсатор сразу подается большое напряжение. Еще одной отличительной чертой приборов данного типа можно назвать слабый сигнал. Решить эту проблему смогут различные усилители.

В результате можно добиться лучшей работоспособности транзисторов. Резистор устройства в цепи в обязательном порядке должен находиться за В данном случае можно будет добиться более качественной работы устройства. В качестве регулировщика в цепи импульсный стабилизатор постоянного напряжения имеет блок контроля. Данный элемент способен ослаблять, а также повышать мощность транзистора. Происходит это явление при помощи дросселей, которые соединены с диодами в системе. Нагрузка на регулятор контролируется через фильтры.

Стабилизаторы напряжения ключевого типа

Зачем устанавливать компенсаторы?

Компенсаторы в большинстве случаев играют в стабилизаторе второстепенную роль. Связана она с регулировкой импульсов. Главным образом с этим справляются транзисторы. Однако свои преимущества у компенсаторов все же имеются. В данном случае многое зависит от того, какие приборы подключены к источнику питания.

Если говорить о радиооборудовании, то тут необходим особый подход. Связан он с различными колебаниями, которые воспринимаются таким прибором иначе. В этом случае компенсаторы способны помочь транзисторам в стабилизации напряжения. Установка дополнительных фильтров в цепи, как правило, ситуацию не улучшает. При этом они сильно влияют на коэффициент полезного действия.

Недостатки гальванических развязок

Гальванические развязки устанавливаются для передачи сигнала между важными элементами системы. Основной их проблемой можно назвать неверную оценку входного напряжения. Происходит это чаще всего с устаревшими моделями стабилизаторов. Контроллеры в них не способны быстро обрабатывать информацию и подключать в работу конденсаторы. В результаты диоды страдают в первую очередь. Если система фильтрации устанавливается за резисторами в электрической цепи, то они просто сгорают.

Линейные стабилизаторы имеют общий недостаток – это малый КПД и высокое выделение тепла. Мощные приборы, создающие нагрузочный ток в широких пределах имеют значительные габариты и вес. Чтобы компенсировать эти недостатки, разработаны и используются импульсные стабилизаторы.

Устройство, поддерживающее в постоянном виде напряжение на потребителе тока с помощью регулировки электронным элементом, действующим в режиме ключа. Импульсный стабилизатор напряжения, так же как и линейный существует последовательного и параллельного вида. Роль ключа в таких моделях исполняют транзисторы.

Так как действующая точка стабилизирующего устройства практически постоянно расположена в области отсечки или насыщения, проходя активную область, то в транзисторе выделяется немного тепла, следовательно, импульсный стабилизатор имеет высокий КПД.

Стабилизация осуществляется с помощью изменения продолжительности импульсов, а также управления их частотой. Вследствие этого различают частотно-импульсное, а другими словами широтное регулирование. Импульсные стабилизаторы функционируют в комбинированном импульсном режиме.

В устройствах стабилизации с регулированием широтно-импульсным частота импульсов имеет постоянную величину, а продолжительность действия импульсов является непостоянным значением. В приборах с регулированием частотно-импульсным продолжительность импульсов не изменяется, меняют только частоту.

На выходе устройства напряжение представлено в виде пульсаций, соответственно оно не годится для питания потребителя. Перед подачей питания на нагрузку потребителя, его нужно выровнять. Для этого на выходе импульсных стабилизаторов монтируют выравнивающие емкостные фильтры. Они бывают многозвенчатыми, Г-образными и другими.

Средняя величина напряжения, поданная на нагрузку, вычисляется по формуле:

Ти – продолжительность периода.
tи – продолжительность импульса.
Rн – значение сопротивления потребителя, Ом.
I(t) – значение тока, проходящего по нагрузке, ампер.

Ток может перестать протекать по фильтру к началу следующего импульса, в зависимости от индуктивности. В этом случае идет речь о режиме действия с переменным током. Ток также может дальше протекать, тогда имеют ввиду функционирование с постоянным током.

При повышенной чувствительности нагрузки к импульсам питания, выполняют режим постоянного тока, не смотря со значительными потерями в обмотке дросселя и проводах. Если размер импульсов на выходе прибора незначителен, то рекомендуется функционирование при переменном токе.

Принцип работы

В общем виде импульсный стабилизатор включает в себя импульсный преобразователь с устройством регулировки, генератор, выравнивающий фильтр, снижающий импульсы напряжения на выходе, сравнивающее устройство, подающее сигнал разности входного и выходного напряжения.

Схема основных частей стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Напряжение на выходе прибора поступает на сравнивающее устройство с базовым напряжением. В результате получают пропорциональный сигнал. Его подают на генератор, предварительно усилив его.

При регулировании в генераторе разностный аналоговый сигнал модифицируют в пульсации с постоянной частотой и переменной продолжительностью. При регулировании частотно-импульсном продолжительность импульсов имеет постоянное значение. Она меняет частоту импульсов генератора в зависимости от свойств сигнала.

Образованные генератором управляющие импульсы проходят на элементы преобразователя. Транзистор регулировки действует в режиме ключа. Изменяя частоту или интервал импульсов генератора, есть возможность менять нагрузочное напряжение. Преобразователь модифицирует значение напряжения на выходе в зависимости от свойств управляющих импульсов. По теории в приборах с частотной и широтной регулировкой импульсы напряжения на потребителе могут отсутствовать.

При релейном принципе действия сигнал, который управляется стабилизатором, образуется с помощью триггера. При поступлении постоянного напряжения в прибор транзистор, работающий в качестве ключа, открыт, и повышает напряжение на выходе. сравнивающее устройство определяет сигнал разности, который достигнув некоторого верхнего предела, поменяет состояние триггера, и произойдет коммутация регулирующего транзистора на отсечку.

Напряжение на выходе станет уменьшаться. При падении напряжения до нижнего предела сравнивающее устройство определяет сигнал разности, переключающий снова триггер, и транзистор опять войдет в насыщение. Разность потенциалов на нагрузке прибора станет повышаться. Следовательно, при релейном виде стабилизации напряжение на выходе повышается, тем самым выравнивается. Предел срабатывания триггера настраивают с помощью корректировки амплитуды значения напряжения на сравнивающем устройстве.

Стабилизаторы релейного типа имеют повышенную скорость реакции, в отличие от приборов с частотным и широтным регулированием. Это является их преимуществом. В теории при релейном виде стабилизации на выходе прибора всегда будут импульсы. Это является их недостатком.

Повышающий стабилизатор

Импульсные повышающие стабилизаторы применяют вместе с нагрузками, разность потенциалов которых выше, чем напряжение на входе приборов. В стабилизаторе нет гальванической изоляции сети питания и нагрузки. Импортные повышающие стабилизаторы называются boost converter. Основные части такого прибора:

Транзистор вступает в насыщение, и ток проходит по цепи от положительного полюса по накопительному дросселю, транзистору. При этом накапливается энергия в магнитном поле дросселя. Нагрузочный ток может создать только разряд емкости С1.

Отключим выключающее напряжение с транзистора. При этом он вступит в положение отсечки, а следовательно на дросселе появится ЭДС самоиндукции. Оно будет коммутировано последовательно с напряжением входа, и подключено по диоду к потребителю. Ток пойдет по цепи от положительного полюса к дросселю, по диоду и нагрузке.

В этот момент магнитное поле индуктивного дросселя выдает энергию, а емкость С1 резервирует энергию для поддержки напряжения на потребителе после вхождения транзистора в режим насыщения. Дроссель является для резерва энергии и не работает в фильтре питания. При повторной подаче напряжения на транзистор, он откроется, и весь процесс пойдет заново.

Стабилизаторы с триггером Шмитта

Такой вид импульсного устройства имеет свои особенности наименьшим набором компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер. В его состав входит компаратор. Основной задачей компаратора является сравнивание величины выходной разности потенциалов с наибольшим допустимым.

Принцип действия аппарата с триггером Шмитта состоит в том, что при увеличении наибольшего напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноля с размыканием электронного ключа. В одно время разряжается дроссель. Когда напряжение доходит до наименьшего значения, то выполняется коммутация на единицу. Это обеспечивает замыкание ключа и прохождение тока на интергратор.

Такие приборы имеют отличия своей упрощенной схемой, но использовать их можно в особых случаях, так как импульсные стабилизаторы бывают только повышающими и понижающими.

Понижающий стабилизатор

Стабилизаторы импульсного типа, функционирующие с понижением напряжения, являются компактными и мощными приборами питания электрическим током. При этом они имеют низкую чувствительность к наводкам потребителя постоянным напряжением одного значения. Гальваническая изоляция выхода и входа в понижающих устройствах отсутствует. Импортные приборы получили название chopper. Выходное питание в таких устройствах постоянно находится меньше входного напряжения. Схема импульсного стабилизатора понижающего типа изображена на рисунке.

Подключим напряжение для управления истоком и затвором транзистора, который войдет в положение насыщения. По нему будет проходить ток по цепи от положительного полюса по выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении ток по диоду не протекает.

Отключим управляющее напряжение, которое выключает ключевой транзистор. После этого он будет находиться в положении отсечки. ЭДС индукции выравнивающего дросселя будет преграждать путь для изменения тока, который пойдет по цепи через нагрузку от дросселя, по общему проводнику, диод, и опять придет на дроссель. Емкость С1 будет разряжаться и будет удерживать напряжение на выходе.

При подаче отпирающей разницы потенциалов между истоком и затвором транзистора, он перейдет в режим насыщения и вся цепочка вновь повторится.

Инвертирующий стабилизатор

Импульсные стабилизаторы инвертирующего типа используют для подключения потребителей с постоянным напряжением, полюсность которого имеет противоположное направление полюсности разности потенциалов на выходе устройства. Его значение может быть выше сети питания, и ниже сети, в зависимости от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция сети питания и нагрузки отсутствует. Импортные приборы инвертирующего типа называются buck-boost converter. На выходе таких приборов напряжение всегда ниже.

Подключим управляющую разность потенциалов, которое откроет транзистор между истоком и затвором. Он откроется, и ток пойдет по цепи от плюса по транзистору, дросселю к минусу. При таком процессе дроссель резервирует энергию с помощью своего магнитного поля. Отключим разность потенциалов управления от ключа на транзисторе, он закроется. Ток пойдет от дросселя по нагрузке, диоду, и возвратится в первоначальное положение. Резервная энергия на конденсаторе и магнитном поле будет расходоваться для нагрузки. Снова подадим питание на транзистор к истоку и затвору. Транзистор опять станет насыщаться и процесс повторится.

Преимущества и недостатки

Как и все приборы, модульный импульсный стабилизатор не идеален. Поэтому ему присущи минусы и плюсы. Разберем основные из преимуществ:

Простое достижение выравнивания.
Плавное подключение.
Компактные размеры.
Устойчивость выходного напряжения.
Широкий интервал стабилизации.
Повышенный КПД.

Недостатки прибора:

Сложная конструкция.
Много специфических компонентов, снижающих надежность устройства.
Необходимость в использовании компенсирующих устройств мощности.
Сложность работ по ремонту.
Образование большого количества помех частоты.

Допустимая частота

Функционирование импульсного стабилизатора возможно при значительной частоте преобразования. Это является основной отличительной чертой от устройств, имеющих трансформатор сети. Увеличение этого параметра дает возможность получить наименьшие габариты.

Для большинства приборов интервал частот будет равен 20-80 килогерц. Но при выборе ШИМ и ключевых приборов необходимо учесть высокие гармоники токов. Верхняя граница параметра ограничена определенными требованиями, которые предъявляются к радиочастотным приборам.

Источники питания
[Содержание номера ] [Содержание года ] [Архив ] [Статьи ]
Простой импульсный стабилизатор

С.Засухин, г.Санкт-Петербург

Преимущества импульсных стабилизаторов постоянного напряжения известны: высокий КПД и устойчивая работоспособность при большой разнице значений входного и выходного напряжений. В "Радио" уже публиковались описания таких стабилизаторов, но они либо не имеют защиты от замыкания в нагрузке , либо очень сложны . Предлагаемый стабилизатор с широтно-импульсным управлением (рис.1) по принципу действия близок к стабилизатору, описанному в , но, в отличие от него, имеет две цепи обратной связи, соединенные таким образом, что ключевой элемент закрывается при превышении напряжения на нагрузке или превышении тока, потребляемого нагрузкой.

Рис.1

При подаче питания на вход устройства ток, текущий через резистор R2, открывает ключевой элемент, образованный транзисторами VT2, VT3, в результате чего в цепи транзистор VT3 - дроссель L1 - нагрузка - резистор R6 возникает ток. Происходит зарядка конденсатора C4 и накопление энергии дросселем L1. Если сопротивление нагрузки достаточно большое, то напряжение на ней достигает 12 В и открывается стабилитрон VD4. Это приводит к открыванию транзисторов VT5, VT1 и закрыванию ключевого элемента, а благодаря наличию диода VD1, дроссель L1 отдает накопленную энергию нагрузке.

По мере уменьшения тока через дроссель и разрядки конденсатора C4 напряжение на нагрузке уменьшится, что приводит к закрыванию транзисторов VT5, VT1 и открыванию ключевого элемента. Далее процесс работы стабилизатора повторяется.

Конденсатор CЗ, снижающий частоту колебательного процесса, повышает КПД стабилизатора.

Более подробно о работе такого стабилизатора рассказано в .

При малом сопротивлении нагрузки колебательный процесс в стабилизаторе происходит иначе. Нарастание тока нагрузки приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R6, открыванию транзистора VT4 и закрыванию ключевого элемента. Далее процесс протекает аналогично описанному выше. Диоды VD2 и VD3 способствуют более резкому переходу устройства из режима стабилизации напряжения в режим ограничения тока, потребляемого нагрузкой.

Нагрузочная характеристика стабилизатора приведена на рис.2. На участке а-б устройство работает как стабилизатор напряжения, на участке б-в - как стабилизатор тока. На участке в-г выходной ток с уменьшением сопротивления нагрузки хотя и растет, но даже в режиме короткого замыкания (точка г) он безопасен для деталей стабилизатора.

Рис.2

Интересно отметить: во всех режимах работы стабилизатора потребляемый им ток меньше тока нагрузки.

Стабилизатор выполнен на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита (рис.3). Резисторы - МЛТ и С5-16Т (R6). Оксидный конденсатор C4 составлен из двух конденсаторов К50-6 емкостью по 500 мкф каждый; конденсаторы C2 и CЗ - К10-7В. Диод КД226А (VD1) заменим на КД213; VD2 и VD3 могут быть любыми импульсными. Транзисторы VT1, VT4, VT5 - любые маломощные соответствующих структур с Uкэ max > Uвх . Транзистор VT2 (с некоторым ухудшением КПД) может быть любым из серии КТ814, VT3 - любым мощным структуры N-P-N в пластмассовом корпусе, который следует установить на теплоотводе размерами 40х25 мм из алюминиевого сплава.

Дроссель L1 представляет собой 20 витков жгута из трех проводов ПЭВ-2 0,47, помещенных в чашечный магнитопровод Б22 из феррита 1500НМ3. Магнитопровод собран с зазором толщиной 0,5 мм из немагнитного материала.

Безошибочно смонтированный стабилизатор налаживания не требует.

Стабилизатор несложно перестроить на другое выходное напряжение и ток, потребляемый нагрузкой. Необходимое выходное напряжение устанавливают выбором соответствующего стабилитрона VD4, а максимальный ток нагрузки - пропорциональным изменением сопротивления резистора R6 или подачей на базу транзистора VT4 небольшого тока от отдельного параметрического стабилитрона через переменный резистор.

Участок б-в на нагрузочной характеристике позволяет использовать устройство для зарядки аккумуляторных батарей стабильным током. При этом, правда, КПД стабилизатора падает, и если предполагается длительная работа на этом участке нагрузочной характеристики, то транзистор VT3 придется установить на более эффективный теплоотвод. Иначе допустимый выходной ток придется уменьшить.

Для снижения уровня пульсации выходного напряжения целесообразно использовать LC-фильтр, аналогичный примененному в .

Мною смакетирован аналогичный стабилизатор на напряжение 18 В при токе нагрузки, регулируемом от 1 до 5 А. Такое устройство можно использовать, например, для зарядки автомобильных аккумуляторных батарей, если предусмотреть защиту от их переполюсовки. Его транзисторы VT1 и VT2 - КТ914А, VT3 - КТ935А, VT4 и VT5 - КТ645А; диод VD1 - КД213; VD4 - два последовательно включенных стабилитрона Д814А. Конденсатор C4 - два оксидных емкостью по 500 мкф на номинальное напряжение 25 В. Дроссель L1 - 12 витков жгута из шести проводов ПЭВ-2 0,57 в магнитопроводе Б36 из феррита 1500НМ3 с зазором 0,5 мм. Резистор R6 - проволочный сопротивлением 0,05 Ом. Транзистор VT3 и диод VD1 установлены на общем теплоотводе с поверхностью 300 см² через слюдяные прокладки.

Для питания такого зарядного устройства использовался трансформатор ТН54 с соединенными последовательно обмотками. Мостовой выпрямитель на диодах Д242 с фильтрующим конденсатором емкостью 10 000 мкф на номинальное напряжение 50 В.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения

Выходное напряжение линейных стабилизаторов обычно меньше U вх на величину падения напряжения на регулирующем элементе. КПД непрерывных стабилизаторов мало (25 75 %), так как на регулирующем элементе рассеивается значительная мощность. В импульсных стабилизаторах регулируемое сопротивление заменяется ключом. В качестве ключа обычно применяют транзистор, который периодически переходит из закрытого состояния в открытое и наоборот, то подсоединяя, то отсоединяя нагрузку, и тем самым регулируя среднюю мощность, забираемую ею от источника. Величина U вых зависит от соотношения длительности открытого и закрытого состояний ключа. Частота переключений регулирующего элемента от единиц до сотен кГц, поэтому сглаживание пульсаций достигается малогабаритным фильтром, включенным после регулирующего элемента. Так как потери мощности в ключе малы, КПД достигает 0.85 0.95 при относительной нестабильности 0.1%.

Функциональная схема импульсного стабилизатора приведена на рис 2.4.10.
Рис. 2.4.10.

СУ - сравнивающее устройство, включающее ИОН. ИУ - импульсное устройство. Регулирующий транзистор VT работает в режиме переключений и соединен последовательно с сопротивлением нагрузки R н. Дроссель и конденсатор образуют сглаживающий фильтр для сглаживания пульсаций U вых. Диод VD включен в обратном направлении. Сигнал ошибки, возникший из-за дестабилизирующих факторов, подается со схемы сравнения, которая содержит ИОН, на вход ИУ. В ИУ происходит преобразование медленно меняющегося постоянного напряжения в последовательность импульсов. Если ИУ создает на своем выходе импульсную последовательность с постоянным периодом повторения и с меняющейся в зависимости от сигнала ошибки длительностью импульса t и, то схему называют стабилизатором с широтно - импульсной модуляцией (ШИМ), если t и =const, а меняется частота, то это стабилизатор с частотно - импульсной модуляцией (ЧИМ). Если же ИУ замыкает ключ при U вых U пор, то такую схему называют релейным или двухпозиционным стабилизатором. VT, VD, L, C образуют силовую цепь, а СУ и ИУ - цепь управления. Рассмотрим работу релейного стабилизатора. При подаче U вх VT открыт и ток через дроссель поступает в R н. Конденсатор заряжается в течение t и. Относительная длительность импульса  и /T. U L =U вх -U вых. Когда U н >=U н.макс, в цепи ООС вырабатывается такой управляющий сигнал, который запирает VT и i k =0 . В дросселе возникает противо ЭДС, препятствующая снижению тока, что способствует отпиранию диода. Энергия, запасенная в фильтре, поступает в R н. i д протекает через дроссель, С, R н, VD. При уменьшении i д уменьшается U н и когда U н <=U н.мин, схема управления вырабатывает отпирающий сигнал, VT открывается, пропуская ток в нагрузку i L =i н =i k +i д . U вых сохраняет заданный средний уровень U н. Из равенства нулю постоянной составляющей напряжения на дросселе следует: (U вх - U вых)=(T - )U вых, откуда U вых = вх (2.4.6).

Рис. 2.4.11.

Принцип действия стабилизатора с ШИМ. Частота переключения регулирующего транзистора постоянна. Изменяется соотношение между длительностями открытого и закрытого состояний регулирующего транзистора. На вход сравнивающего устройства (компаратора) подаются два сигнала, один из которых U ГПН поступает с генератора пилообразного напряжения, а второй - с выходного делителя. Переключение транзистора будет происходить в момент равенства этих сигналов. При увеличении U вх возрастает KU вых, что вызывает уменьшение длительности открытого состояния регулирующего транзистора и соответствующее уменьшение U н. По сравнению с релейным стабилизаторы с ШИМ более сложны и содержат большее число элементов.

Рис. 2.4.12.

В стабилизаторе с ЧИМ t и =const , а частота изменяется. Недостатки такого стабилизатора: сложность схемы управления, обеспечивающей изменение частоты в широких пределах; уменьшение коэффициента сглаживания при уменьшении частоты. В стабилизаторах с ШИМ можно подобрать оптимальную частоту, при которой КПД наибольший. Кроме того, в стабилизаторах с ЧИМ и ШИМ пульсации выходного напряжения меньше. В релейном стабилизаторе U вых~ принципиально не может быть равна нулю, так как периодическое переключение триггера в схеме управления возможно при изменении U н в пределах от U н.макс до н.мин.

Рис. 2.4.13.

В импульсном стабилизаторе с параллельным включением транзистора VT открыт в течение t и =, U L U вх, в дросселе накапливается энергия, а конденсатор разряжается на нагрузку. При запирании транзистора в дросселе наводится ЭДС самоиндукции. U вых =U вх +U L . Под действием этого напряжения открывается диод и конденсатор заряжается, U L =U вых -U вх. Постоянная составляющая на дросселе равна нулю, поэтому U вх  = (U вых - U вх)(T - ) U вых = U вх  + U вх - U вх /(1 - ) = U вх /(1 - ) (2.4.7) Это стабилизатор повышающего типа.

Рис. 2.4.14.

В инвертирующем стабилизаторе (рис. 2.4.14) при открытом VT в течение T в дросселе запасается энергия U L =U вх, конденсатор разряжается на нагрузку. При закрытом VT в дросселе индуцируется ЭДС обратного знака. U L =U вых в течение длительности T-T. Конденсатор заряжается от дросселя через открытый диод. U вх T=U вых (T-T) U вых =U вх /(1-) (2.4.8). По мере повышения частоты переключения регулирующего транзистора происходит увеличение относительной длительности процессов рассасывания избыточных носителей в базе VT и диода. Это может привести к нарушению устойчивой работы и переходу к режиму автоколебаний. Возрастают динамические потери в элементах стабилизатора и уменьшается его КПД. Коммутационные процессы приводят к изменению формы прямоугольных импульсов токов и напряжений (затягиваются передний и задний фронты), но это не столь существенно. А существенно то, что VT испытывает большую кратковременную перегрузку по току. Когда на базу закрытого VT поступает управляющий импульс, открывающий его, I к начинает нарастать, а ток через блокирующий диод VD убывать. Поскольку VD еще открыт, VT работает в режиме короткого замыкания и к нему приложено U вх и I к может в 5 10 раз превосходить I н. Таким образом, инерционность реальных диодов является основной причиной коммутационных перегрузок регулирующих транзисторов. Эти перегрузки будут тем больше, чем лучше импульсные свойства VT и хуже быстродействие диода. Приходится выбирать более мощный транзистор, использование которого по току будет низким. Для уменьшения перегрузок в коллекторную или эмиттерную цепи вводят токоограничивающие элементы. Введение дополнительного дросселя в коллекторную цепь показано на рис. 2.4.15.

Рис. 2.4.15.

L доп уменьшает скорость нарастания I к. R доп обеспечивает запирание VD доп к моменту открывания транзистора VT. Разряд дросселя происходит при закрытом VT через диод VD доп на R доп. В коллекторную или эмиттерную цепь может быть введен двухобмоточный дроссель (рис. 2.4.16).

Рис. 2.4.16.

Электромагнитная энергия, накопленная в L доп, при протекании тока через VT возвращается обратно в источник при закрытом VT. По сравнению с предыдущим случаем КПД стабилизатора увеличивается за счет исключения потерь мощности в R доп. При протекании тока через VD доп U кэ.макс =U вх +U вх W 1 /W 2 . Для уменьшения U кэ.макс соотношение между W 1 и W 2 должно быть W 2 (5 10)W 1 . При этом амплитуда напряжения на закрытом диоде U доп =(5 10)U вх. С целью уменьшения U кн, t вкл и I кэ0 запирание регулируемого транзистора производится подключением к переходу база - эмиттер источника U зап (рис. 2.4.17а).

Рис. 2.4.17

Когда VT1 открыт, VT2 закрыт, C1 заряжается током базы I б1 . При отпирании VT2 U c1 закрывает VT1. U c1 может изменяться в зависимости от U вх, U c1 разряжается на R 1 . Поэтому вместо R 1 включают стабилитрон или диоды в прямом направлении (рис. 2.4.17б). Хотя импульсные стабилизаторы экономичнее непрерывных, им присущи некоторые недостатки, основными из которых являются: 1) повышенное значение коэффициента пульсаций выходного напряжения (у релейных до 10 20%, с ШИМ - 0.1 1%); 2) большое динамическое внутреннее сопротивление, то есть падающая внешняя характеристика; 3) большие помехи, создаваемые стабилизатором, для ослабления которых на входе и выходе включаются дополнительные фильтры. Это определяет их область применения: в устройствах электропитания с постоянным током нагрузки значительной мощности, где требуются малый вес и габариты, но допускаются значительные пульсации U вых. В настоящее время выпускается три разновидности интегральных микросхем (ИМС) импульсных стабилизаторов: 1) импульсные стабилизаторы повышающего типа, с питанием от низкого входного напряжения от 2 до 12В, с минимальной рассеиваемой мощностью и встроенным полевым транзистором (серия стабилизаторов 1446ПН1, 1446ПН2, 1446ПН3); 2) универсальные маломощные ИМС, которые можно использовать при построении самых различных схем импульсных стабилизаторов (например, 142ЕП1 или 1156ЕУ1); 3) законченные стабилизаторы, включающие схему управления и силовой транзистор на ток до 10А (например, 1155ЕУ1). В таблице 1 приведены основные характеристики ИМС импульсных стабилизаторов этих трех групп. Повышающие импульсные стабилизаторы 1446ПН1, 1446 ПН2 и 1446ПН3 предназначены для работы с низким входным напряжением и фиксированным выходным напряжением +5 или +12В. КПД таких стабилизаторов доходит до 88%, а рабочая частота до - 170 кГц. При малой выходной мощности в качестве ключевого элемента используется внутренний полевой транзистор. Для питания мощных нагрузок необходимо использование дополнительного биполярного или полевого транзистора. Основное применение такие ИМС находят в источниках бесперебойного питания отдельных плат ЭВМ, при питании измерительных приборов от гальванических элементов, в переносных устройствах связи.

Таблица 1 Основные характеристики ИМС управления импульсными стабилизаторами

	Функциональное назначение	f пр,кГц	Pрас,Вт (КПД,%)
1446ПН1 (MAX731)	Повышающий конвертор
1446ПН2 (MAX734)
1446ПН3 (MAX641)
142ЕП1 (LM100)	Набор элементов для построения импульсного стабилизатора
1156ЕУ1 (µA78S40)
1155ЕУ1 (LAS6380)	Мощный импульсный стабилизатор

Наиболее универсальными являются ИМС второй группы, которые, по существу, представляют собой набор элементов для построения импульсных стабилизаторов различных типов. Из этих микросхем наиболее совершенной является ИМС типа 1156ЕУ1, упрощенная структурная схема которой приведена на рис.2.4.18. Микросхема представляет собой набор типовых блоков импульсного стабилизатора, расположенных на одном кристалле. В состав ИМС входят следующие узлы и блоки: источник опорного напряжения 1,25В; операционный усилитель с напряжением смещения 4мВ, коэффициентом усиления больше 200 тыс., скоростью нарастания 0,6В/мкс; широтно - импульсный модулятор, включающий задающий генератор, компаратор, схему "И" и RS - триггер; ключевой транзистор с драйвером (предварительным усилителем); силовой диод с прямым током 1А и обратным напряжением 40В.

Рис. 2.4.18.

Микросхема может управлять внешним биполярным или полевым транзистором, если требуется выходной ток больше 1,5А и напряжение выше 40В. ИМС 142ЕП1 использована в схеме ИСН релейного типа, структурная схема которого приведена на рис. 2.4.19.

Рис. 2.4.19 ИСН релейного типа.

ФРП - двухзвенный LC фильтр радиопомех, ослабляющий напряжение радиопомех, вносимых стабилизатором напряжения в первичную сеть при его работе. РЭ - силовой транзисторный ключ состоящий из ИМС типа 286ЕП3 (набор двух мощных транзисторов), дополнительного умощняющего транзистора VT и Др, ограничивающего скорость нарастания тока I к транзистора VT. СФ - (VD, L и C), фильтр, интегрирующий последовательность однополярных импульсов. ВФ - высокочастотный фильтр, дополнительно ослабляющий напряжение высокочастотных пульсаций тока нагрузки. УЗ - устройство защиты, обеспечивает защиту от перегрузок (транзисторная защита). На один из входов дифференциального УПТ подается опорное напряжение, на другой вход - напряжение с делителя, равное опорному. Сигнал рассогласования через эмиттерный повторитель ЭП поступает на триггер Шмидта. На его выходе вырабатываются однополярные импульсы, длительность которых изменяется в зависимости от сигнала УПТ. Эти импульсы управляют параллельным ключом ПК, который открывает или закрывает транзистор РЭ.