Меню

Виды импульсных стабилизаторов напряжения

Импульсный стабилизатор напряжения

Преобразование напряжения необходимо для того, чтобы реализовать возможность работы различных устройств от сети переменного тока. Кроме того, питание электронных схем разными величинами напряжения вынуждает выполнять не только превращение переменного электричества в постоянное, но и повышение или понижение разности потенциалов до нужных параметров.

Импульсный преобразователь напряжения

Основы импульсного преобразования

Работа подобных устройств, их ещё называют импульсными стабилизаторами (ИС), основана на ключевой стабилизации. В схеме имеется элемент, который выполняет регулировку выходных параметров за счёт своего запирания-отпирания.

В обычную трансформаторную схему входит трансформатор низкой частоты, имеющий первичную и вторичную обмотку. Импульсное преобразование тоже подразумевает наличие трансформатора, но уже высокочастотного.

Внимание! Высокочастотные импульсные трансформаторы обладают меньшими габаритами, дешевле, но их мощность выше.

Импульсные преобразователи напряжения (ИПН) допускают использование схем трёх типов:

  • повышающей;
  • понижающей;
  • инверторной.

ИПН обладают высоким КПД и малыми габаритами. Они включают в свой состав следующие элементы:

  • блок питания (источник питания);
  • ключ – элемент коммутации;
  • накопитель энергии индуктивной природы – дроссель, катушка;
  • диод блокировки;
  • фильтр выходного напряжения – конденсатор большой емкости.

Фильтр обычно включается параллельно нагрузке.

Принцип работы

Импульсный стабилизатор напряжения использует принцип сравнения опорного напряжения с напряжением на выходе. Схема позволяет регулировать длительность открытия ключа. Входное напряжение от источника питания (ИП) пропускается ключом по сигналу управления заданными частями (импульсами) с учётом того, что средний потенциал (пониженный или повышенный) был стабильным.

Блок-схема ИС

Сравнение с линейным стабилизатором

Чтобы сравнить два принципа преобразования, нужно вспомнить, что линейные стабилизаторы (ЛС) – это обычно делитель напряжения. У него нестабильный потенциал подаётся на вход делителя, а стабильный – снимается со второго плеча (нижнего). Принцип стабилизации заключается в постоянном изменении сопротивления верхнего плеча схемы таким образом, чтобы на нижнем оно оставалось стабильным.

К сведению. Когда отношение Uвх/Uвых велико, то КПД линейного стабилизатора очень низкий. Это связано с потерями энергии на регулирующем резисторе. Он греется, оттого часть мощности на входе теряется.

У таких сборок есть свои плюсы, а именно: простота схемы, минимум элементов и неимение помех. По сравнению с линейными, импульсные стабилизаторы (ИС) сложнее, но работают стабильнее при правильно подобранной схеме.

В ИС могут возникать автоколебания, которые приводят к частичной неработоспособности или полному выходу преобразователя из строя. Это происходит в случае, когда импеданс источника Uвх превысит значение импеданса ИС, тогда при снижении Uвх повышается ток на входе.

Функциональные схемы по типу цепи управления

По виду управляющей цепи можно выделить несколько рабочих схем, включающих в себя:

  • триггер Шмитта;
  • ШИМ – широтно-импульсную модуляцию;
  • ЧИМ – частотно-импульсную модуляцию.

Важно! Импульсные стабилизаторы – это устройство с автоматическим регулированием, ориентирующееся на опорное напряжение, которое служит эталонным параметром для схемы регулирования.

Блок-схемы ИПН с триггером Шмитта и ШИМ

С триггером Шмитта

При таком построении схемы стабилизации верхний и нижний пороги срабатывания триггера сравниваются с Uвх. Для этой цели используется компаратор – устройство сравнения. Ключ размыкается в момент, когда выходное напряжение сравняется с напряжением срабатывания триггера (Umax). Энергия, накопившаяся за это время, выдаётся на нагрузку, и Uвых после этого спадает. Как только её величина достигнет Umin (нижнего порога), триггер переключается, замыкая ключ.

Такой способ называется стабилизацией с двухпозиционной регулировкой или релейной. Схемы с триггером Шмитта имеют на выходе устройства напряжения с величиной пульсации, обусловленной разностью порогов срабатывания. Эту пульсацию практически устранить невозможно.

В ИС с триггером Шмитта частотное преобразование зависит от Uвх и Iн (тока нагрузки) и является переменным.

С широтно-импульсной модуляцией

На выходе таких схем получают Uср (среднее), на которое влияют скважность импульсов и Uвх. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой схему сравнения Uвых и Uоп (опорного) путём вычитания и последующего усиления. Результат поступает на модулятор, который подстраивает свои параметры в зависимости от этого результата.

Модулятор изменяет (в сторону увеличения) отношение времени, при котором ключ открыт, к периоду тактового импульса генератора, если Uвых С частотно-импульсной модуляцией

Подобные сборки отличаются тем, что скважность импульсов (частота) напрямую зависит от понижения Uвх или увеличения Iн. При этом длительность отпирающего ключ импульса неизменна. Частота подачи импульсов подчинена сигналу разности Uвых и Uоп. Моностабильный мультивибратор, имеющий управляемую запускающую частоту, может смело справиться с подачей команд на ключ.

Моностабильный мультивибратор на транзисторах

Основные схемы силовой части

В зависимости от назначения ИС, можно выделить три базовых модели его построения:

  • понижающая;
  • повышающая;
  • инвертирующая.

Независимо от конструктивного исполнения и назначения ИС, устройствами, использующимися в роли ключа, могут быть:

  • тиристор;
  • транзистор (биполярный или полевой).

Основная задача подобного элемента – отрываться или закрываться по команде, поступающей на управляющий электрод.

Преобразователь с понижением напряжения

Обычно уменьшить величину напряжения необходимо чаще, потому такие ИС более востребованы.

Простейшая схема понижающего ИС

У понижающего стабилизатора напряжения, приведённого на схеме, ключ на полевом транзисторе VT1 откроется при подаче на него управляющего напряжения. Ток от плюсовой клеммы будет поступать на нагрузку через сглаживающий дроссель L1. Включенный параллельно в цепь диод VD1 в данный момент не пропускает ток. После размыкания ключа цепь тока следующая: дроссель L1 – нагрузка – общий провод – диод VD1 – дроссель L1. При этом ток, проходящий через дроссель, не прекратится мгновенно, а будет постепенно уменьшаться.

Читайте также:  Остаточное напряжение как по английски

Важно! У дросселей, имеющих большую индуктивность, он не становится равным нулю до начала следующего открытия ключа. Установка таких элементов нецелесообразна из-за увеличения габаритов и стоимости.

Конденсатор C1 в это время будет разряжаться на нагрузку и поддерживать U вых. Емкость C вместе с индуктивностью L образует фильтр, снижающий размах пульсаций.

Преобразователь с повышением напряжения

В отличие от понижения Uвх, этот тип схем используют для питания цепей нагрузки, которым для работы необходимо напряжение выше, чем у источника.

Повышающий ИС

Компоненты схемы те же самые, но включены иначе. При открытом транзисторе диод закрыт, и на дросселе линейно нарастает ток. При запирании ключа ток начинает двигаться по цепи: плюсовая клемма – дроссель L1 – диод VD1 – нагрузка – минусовая клемма. Конденсатор C1 в это время будет заряжаться. Он будет поддерживать ток на нагрузке во время своего разряда на неё при следующем открытии ключа.

Инвертирующий преобразователь

Подобная сборка также не имеет гальванической развязки между входным и выходным каскадами. В ней совсем иное включение дросселя, конденсатора и нагрузки. Они расположены параллельно.

Инвертирующий ИС

При открытом ключе VT1 ток протекает по цепи: плюсовая клемма – транзистор – дроссель – минусовая клемма. Дроссель накапливает энергию при содействии магнитного поля. Когда транзистор закрывается, то цепь прохождения тока меняется: дроссель – конденсатор C1 – диод VD1 – дроссель. Энергия дросселя и энергия конденсатора будут полностью отдаваться нагрузке. Амплитуда пульсации целиком зависит от ёмкости C1. В этот момент напряжение на нагрузке не меняется, несмотря на то, что ток через С1 спадает почти до нуля.

Кстати. Выходное напряжение у инвертирующих ИС может отличаться от напряжения источника питания, как в большую, так и в меньшую сторону.

Влияние диода на КПД

Включенный в электрическую цепь диод вызывает на себе падение напряжения от 0,4 до 0,7 В. При токе от нескольких ампер и низком Uвых на элементе происходит потеря мощности, что приводит к снижению КПД. Применяют альтернативный вариант – замену диода на полевой транзистор. Подбирают такой, чтобы в открытом состоянии падение напряжения на нём было минимальным.

Внимание! Можно в схемах вместо диода поставить ещё один ключ, который будет работать в противофазе с основным.

Гальваническая развязка

Чтобы обезопасить человека при эксплуатации ИС, применяют гальваническую развязку. Для этого включают в схему разделительный трансформатор или дроссель с дополнительной обмоткой. На рабочих частотах 20 кГц – 1 МГц они не столь габаритны, как трансформаторы для частоты переменного тока 50 Гц. В управляющих цепях для развязки устанавливают оптроны (оптопары).

Особенности использования

Импульсные стабилизаторы могут использоваться как драйверы для светодиодов и led-ламп. Кроме того, их применяют в различных устройствах, таких как:

  • блоки питания ЖК телеприёмников;
  • оборудование навигации;
  • источники питания для компьютеров и устройств цифровых систем.

Импульсные стабилизаторы используют для зарядных устройств и преобразования переменного тока в постоянное электричество.

Фильтрация импульсных помех

Сильные помехи, издаваемые импульсным стабилизатором напряжения (ИСН) в моменты коммутации ключа (броски тока и напряжения), необходимо подавлять. Для этого требуется применять фильтры и размещать их на входе и выходе.

Входное сопротивление

У ИСН, работающих под нагрузкой, при увеличении Uвх уменьшается ток на входе (Iвх). Это значит его входное сопротивление отрицательно дифференциальное. При подключении ИСН к источникам, у которых внутреннее сопротивление велико, возможна нестабильная работа.

Использование в сетях переменного тока

Для подключения к источнику переменного тока перед ИСН устанавливают выпрямитель и фильтр. Эта зона, где возникает опасность поражения человека током. Элементы, входящие в эту зону, должны быть закрыты от прикосновения или отмечены маркером (графическое и цветовое предупреждение).

Преимущества и недостатки

Все плюсы и минусы для импульсных стабилизаторов можно свести в одну таблицу.

Достоинства и недостатки ИСН

Преимущества ОС-регулирования

Обратная связь при регулировании напряжения в ИС является важной опцией для импульсных стабилизаторов. Она позволяет поддерживать на выходе устройства напряжение стабильной величины, чутко следя за бросками напряжения и тока. В ИСН применяется широкополосная ОС (чем шире интервал частот, тем меньше уровень пульсации в результате).

Доступность на рынке радиодеталей комплектующих для построения ИСН даёт возможность собрать своими руками любую из схем импульсных стабилизаторов. Использование в них готовых стабилизаторов на интегральных микросхемах (ИМС) и ключей на полевых транзисторах делает устройство максимально компактным.

Видео

Источник

Импульсные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы позволяют теоретически достигнуть коэффициента полезного действия 100%. Это позволяет создавать достаточно мощные стабилизаторы с небольшими габаритами и очень малыми потерями. В реальных устройствах достигается кпд, равный . В этом смысле импульсные стабилизаторы работают как трансформаторы постоянного тока. Высокий кпд достигается за счет ключевого режима работы регулирующего элемента. В качестве основного недостатка импульсных стабилизаторов следует отметить высокий уровень помех, что делает их непригодными в ряде узлов радиоэлектронных устройств, таких как опорные генераторы, усилители радиочастоты приемников в радиостанциях и сотовых телефонах.

Читайте также:  Допустимое напряжение для стали 345

Импульсный стабилизатор осуществляет преобразование напряжения за счет явления самоиндукции в индуктивности накопительного дросселя L1. При этом в зависимости от схемы включения дросселя импульсные стабилизаторы могут понижать или повышать выходное напряжение. Более того! Импульсные стабилизаторы могут изменять полярность постоянного напряжения. В качестве примера на рисунке 1 приведена схема импульсного стабилизатора, понижающая выходное напряжение.

Схема понижающего импульсного стабилизатора
Рисунок 1. Схема понижающего импульсного стабилизатора напряжения

Рассмотрим принцип работы этой схемы. Когда ключ K1 замкнут, ток от источника первичного питания протекает через дроссель L1. При этом он накапливает энергию в магнитном поле. По мере насыщения магнитного потока дросселя, ток, протекающий через него, а значит и ток силового ключа K1 нарастает. Когда он размыкается, ток, протекающий через дроссель, не может мгновенно упасть до нуля за счет самоиндукции и продолжает протекать в нагрузку через открытый диод VD. Индуктивность дросселя должна быть больше критической, чтобы ток в нём не уменьшался до нуля. При этом условии напряжение на нагрузке также не будет иметь провалов и его среднее значение будет равно заданному значению.

Подобным образом работает и импульсный стабилизатор, повышающий входное напряжение. Его схема приведена на рисунке 2.

Схема импульсного стабилизатора, повышающего напряжение
Рисунок 2. Схема импульсного стабилизатора, повышающего напряжение

В этой схеме, как и в предыдущей схеме импульсного стабилизатора, накопление энергии происходит в дросселе L1. Отличие заключается в том, что в этот момент времени ток на выход устройства не поступает, и нагрузка питается от энергии, запасенной в конденсаторе С1. После размыкания ключа K1, источник питания и дроссель L1 оказываются включенными последовательно. Напряжение, формируемое ими суммируется и через открытый диод VD1 поступает на выход схемы. Таким образом, напряжение на выходе всегда будет больше входного.

При работе данной схемы следует учитывать тот факт, что ток, протекающий через ключ K1 может быть больше тока, протекающего через нагрузку. В результате напряжение, формирующееся на дросселе L1, будет больше напряжения питания. Иными словами, дроссель L1 в схеме, приведенной на рисунке 2, работает как трансформатор напряжения.

Теперь рассмотрим, как работает импульсный стабилизатор, изменяющий полярность входного напряжения. Его схема приведена на рисунке 3.

Схема импульсного стабилизатора, инвертирующего напряжение
Рисунок 3. Схема импульсного стабилизатора, инвертирующего напряжение

Метод формирования сигнала управления ключом поясняется эпюрами рис.4.21.

Рисунок 2. Формирование сигнала управления ключом

Если входное напряжение стабилизатора изменяется в пределах , то при ШИМ период остаётся постоянным, изменяется длительность импульса ( tИ ), следовательно, изменяется и коэффициент заполнения

Источник



Какие бывают типы стабилизаторов напряжения?

На производстве и в быту широко применяется электрическая энергия. Переменным током питают системы освещение, приводы механизмов электрических приборов, его подают на сетевой разъем электронных устройств. Сбытовые организации не всегда обеспечивают надлежащее качество электрических сетей, что проявляется, в частности, в колебаниях сетевого напряжения. Это неприятное явление характерно для:

  • дачных поселков и небольших населенных пунктов;
  • сетей автономных электростанций, не входящих в единую энергосистему.

Колебания отрицательно влияют на качество функционирования техники, снижают ее надежность. Застраховать себя от этого явления можно применением стабилизатора, который включают между сетью и нагрузкой, рисунок 1.

Схема включения стабилизатора

Рисунок 1. Схема включения стабилизатора

Типы стабилизаторов напряжения по принципу работы

Стабилизацию можно выполняться различными способами. Принципы стабилизации, использованные разработчиком, определяют типы стабилизаторов напряжения.

Релейные

Релейные стабилизаторы, часто называемые ступенчатыми, представляют собой силовой трансформатор с несколькими выходами вторичной обмотки, один из которых принимается за общий. Датчик отслеживает состояние сети, при выходе за пределы разрешенных допусков осуществляет автоматическую регулировку выходного напряжения с помощью переключения реле. При срабатывании отдельных силовых реле происходит переключение обмоток с подключением нагрузки на тот вывод, напряжение на котором минимально отличается от заданного.

Конструктивная простота релейных стабилизаторов, неплохая точность регулирования, невысокая стоимость, высокая надежность обеспечивают им высокую популярность.

Недостатки:

  • ступенчатый характер регулирования;
  • заметные искажения формы синусоиды тока нагрузки при высоком входном напряжении из-за магнитного насыщения сердечника;
  • относительно слабая нагрузочная способность рабочих контактов реле;
  • высокий уровень акустического шума.

Электромеханические (сервоприводные)

Электромеханические или сервоприводные стабилизаторы устраняют один из основных недостатков стабилизаторов с механическими реле: обеспечение только ступенчатой регулировки выходного напряжения. Принцип их действия основан на изменении коэффициента трансформации. Оно реализовано с помощью щетки, соединенной с электродом выходных клемм. Щетку перемещает по вторичной обмотке тороидального трансформатора вспомогательный электродвигатель, рисунок 2.

Конструктивные особенности сервоприводного регулятора

Рисунок 2. Конструктивные особенности сервоприводного регулятора

Для электромеханических стабилизаторов характерны большой диапазон регулировки, небольшие габариты, малая стоимость.

Основные недостатки: низкое быстродействие, хорошо слышимый ночью шум работающего электродвигателя.

Инверторные (бесступенчатые, бестрансформаторные, IGBT, ШИМ)

Инверторные стабилизаторы реализуют двухступенчатую схему получения выходного напряжения. Сначала переменный входной ток преобразуют в постоянный, а затем из него вновь генерируют переменное напряжение. Автоматическое регулирование происходит на этапе формирования постоянного тока, здесь же реализованы функции ступени стабилизации.

Существует несколько вариантов каскадного преобразования, каждому из которых соответствует подкласс инверторных стабилизаторов. Наибольшее распространение получили ШИМ-устройства и стабилизаторы на IGBT-транзисторах.

Читайте также:  Бортовое напряжение высокий уровень сигнала

Сильные стороны этого оборудования:

  • высокая скорость реакции на изменения входного напряжения, точность регулировки выходного;
  • хорошие массогабаритные характеристики (отсутствует силовой трансформатор);
  • простотой получения КПД выше 50 %;
  • возможность плавной регулировки выходного напряжения в сочетании с широкими пределами изменения выходного электрического тока, а также работы на холостом ходе;
  • эффективное подавление скачков напряжения и импульсных помех.

При применении надлежащей элементной базы инверторная техника нормально функционирует при отрицательных температурах.

Главный недостаток: плохая перегрузочная способность, в т.ч. кратковременная (не более 25 – 50% на протяжении 1 – 2 с). Последнее заставляет тщательно контролировать выходную мощность устройства при работе на реактивную нагрузку (электродвигатели различного назначения, вентиляторы и т.д.). Кроме того, следует принимать во внимание сложность электрической схемы, что увеличивает риски отказа, и высокую стоимость из-за необходимости применения силовой полупроводниковой элементной базы.

Феррорезонансные

Феррорезонансный стабилизатор — это устройство трансформаторного типа. Его характерная особенность — применение обмоток трансформатора, одетых на магнитопроводы разного поперечного сечения. Параллельно вторичной обмотке L2 подключен дополнительный конденсатор С, рисунок 3. Его емкость подобрана так, чтобы за счет резонанса обеспечивать постоянное насыщение магнитопровода вторичной обмотки. Отсюда большие изменения входного напряжения не приводят к колебаниям выходного.

Схема феррорезонансного стабилизатора

Рисунок 3. Схема феррорезонансного стабилизатора

Стабилизатор имеет высокую скорость отработки скачков, обладает повышенной надежностью за счет отсутствия схем переключения, обеспечивает неплохую точность стабилизации.

Отсутствие механически подвижных компонентов позволяет эксплуатировать феррорезонансные стабилизаторы при небольших отрицательных температурах.

Главные недостатки:

  • меньший коэффициент мощности;
  • значительные нелинейные искажения выходного тока, которые могут привести к нарушениям функционирования ряда бытовых приборов, например, к искажениям изображения цветного телевизора и некачественному стиранию старых записей магнитофоном;
  • нестабильность функционирования при вариациях частоты входного напряжения более чем на 0,5 Гц от номинального значения, что нередко встречается при питании населенного пункта от автономной электростанции.

Электронные (симисторные, тиристорные)

Так называемые электронные стабилизаторы структурно повторяют устройства на электромагнитных реле, но для ступенчатых переключений обмоток авторансформатора использованы полупроводниковые изделия. Возможно несколько разновидностей таких электронных схем, каждая из которых осуществляет автоматическое переключение коэффициента трансформации. Серийно выпускаются стабилизаторы, в которых функции ключевых элементов ступенчатого регулирования возложены на симисторы и тиристоры.

Тиристор — это полупроводниковая структура с тремя p-n-переходами, в которой выполнена глубокая положительная обратная связь. Ее наличие обеспечивает высокую скорость переключения при работе в ключевой режиме. Симистор образован двумя тиристорами с объединенными управляющими электродами, включенными встречно-параллельно, рисунок 4. За счет возможности пропускания тока этим компонентом в двух направлениях симисторные стабилизаторы демонстрируют повышенный КПД. Это выгодно отличает их от тиристорных стабилизаторов.

Принципиальная схема простейшего варианта симисторного регулятора

Рис. 4. Принципиальная схема простейшего варианта симисторного регулятора

Общие преимущества:

  • повышенный коэффициент стабилизации;
  • прекрасное подавление перепадов напряжения, импульсных помех;
  • хорошие массогабаритные параметры;
  • высокая надежность при реализации на качественной элементной базе.

Кроме того, по быстродействию электронные стабилизаторы заметно превосходят свои релейные электромеханические аналоги, т.е. хорошо отрабатывают скачки напряжения.

Недостатки:

  • плохо адаптированы для работы с реактивной нагрузкой;
  • высокая стоимость;
  • сложность выполнения ремонта.

Виды стабилизаторов напряжения по классу напряжения

Промышленность выпускает широкую гамму стабилизаторов.

По диапазону выходных напряжений электронное оборудование для однофазных сетей рассчитано на 220 – 240 В (популярна также промежуточная градация 230 В), доступны феррорезонансные стабилизаторы на 110 – 120 В.

Бытовое оборудование для трехфазных электросетей обеспечивает выходное напряжение 380 – 415 В вне зависимости от применяемых схемных решений и отдаваемого тока нагрузки.

Техника промышленного назначения может иметь более высокое выходное напряжение: вплоть до 6 – 10 кВ.

Походы к выбору стабилизатора

Перечень параметров, по которым выбирают стабилизаторы, обязательно включает:

  • мощность нагрузки или отдаваемый номинальный ток;
  • выходное напряжение;
  • тип сети (однофазная – трехфазная).

Большую помощь окажет информация о стабильности сети, уровне импульсных помех в ней.

При определении номинальной мощности суммируют мощности всех потребителей защищаемой сети. Для оценки мощности номинальной нагрузки токовую нагрузочную способность входного автомата умножают на 220 В.

При прочих равных условиях выбирают однофазные модели линейных стабилизаторов, учитывают, что модульные конструкции более удобны в обслуживании.

Учитывают эстетические параметры и количество выходных розеток, рисунок 5.

Вариант исполнения однофазного стабилизатора

Рис.5. Вариант исполнения однофазного стабилизатора

Окончательный выбор целесообразно выполнять с учетом производителя и места изготовления. Для определения качества техники юго-восточного производства, выпускаемой без контроля со стороны ведущих западных компаний, имеет смысл изучить профильные форумы. Такой подход позволяет сделать адекватный вывод о качестве прибора.

Кроме технических параметров обязательно принимают во внимание доступность сервисного обслуживания.

Следует учесть, что в продаже имеется большой выбор 220-вольтовых однофазных и 380-вольтовых трехфазных устройств. Стабилизаторы с широким диапазоном регулировки и выходным напряжением других номиналов часто поставляются под заказ.

Заключение.

Промышленность выпускает широкую гамму бытовых стабилизаторов напряжения, что позволяет произвести выбор конкретной модели устройства с учетом конкретной области применения.

Массовый характер рынка стабилизаторов определяет большое количество работающих на нем производящих предприятий, предлагающих свою продукцию через партнерскую сеть. Поэтому перед покупкой следует выполнить тщательный многокритериальный отбор продукта.

Видео по в дополнение статьи


Источник