2.2. Способы стабилизации напряжения и схемы управления

В зависимости от способа стабилизации выходного напряже­ния импульсные стабилизаторы могут быть отнесены к одной из трех импульсных систем регулирования: с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ); с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ); к релейной системе регулирования (РСР).

В ИСН с ШИМ (рис. 2.5, а) длительность импульсов напря­жения u_ф на входе сглаживающего фильтра при постоянной частоте их следования обратно пропорциональна значению напряжения на нагрузке.

а б в

Рис. 2.5. Изменения напряжения на входе сглаживающего фильтра стабилизатора в зависимости от напряжения на нагрузке при широтно-импульсной модуляции (а), частотно-импульсной модуляции (б) и релейной системе регулирования (в)

В ИСН с ЧИМ (рис. 2.5, б) длительность импульсов напря­жения является постоянной величиной, а интервалы между ними изменяются пропорционально выходному напряжению ИСН.

В релейной системе регулирования (рис. 2.5, в) формирова­ние импульсов происходит в моменты пересечения напряжением u_н двух горизонтальных уровней: нижнего при формировании фронта и верхнего при формировании среза. Поскольку форма изменения u_н в зависимости от напряжения питания и тока нагрузки может быть различной, то и частота в данной системе регулирования может изменяться в широких пределах.

Импульсные стабилизаторы с ШИМ по сравнению со стаби­лизаторами двух других типов имеют следующие преимущества:

 обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота пре­образования независимо от напряжения первичного источника пи­тания и тока нагрузки;

 частота пульсации на нагрузке является неизменной, что имеет существенное значение для ряда потребителей электроэнергии;

 реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИСН, что исклю­чает опасность возникновения биений частот при питании несколь­ких ИСН от общего первичного источника постоянного тока.

Кроме того, при работе ИСН на нерегулируемый преобразо­ватель (например, усилитель мощности) возможна синхронизация частот обоих устройств.

Недостатком ИСН с ШИМ в отличие от стабилизаторов ре­лейного типа является более сложная схема управления, содержа­щая обычно дополнительный задающий генератор.

Импульсные стабилизаторы с ЧИМ, не имея существенных преимуществ перед другими типами ИСН, обладают следующими недостатками:

 сложность схемотехнического осуществления регулирова­ния частоты в широких пределах, особенно при больших измене­ниях напряжения питания и тока нагрузки;

 отсутствие возможности реализации отмеченных преиму­ществ системы регулирования с ШИМ.

Последний недостаток относится также к релейным (или двухпозиционным) ИСН, которые характеризуются также сравни­тельно большой пульсацией напряжения на нагрузке (в стабилиза­торах с ШИМ или ЧИМ пульсации выходного напряжения прин­ципиально могут быть равны нулю, что невозможно в релейных стабилизаторах по принципу их работы).

Преимущество релейных стабилизаторов состоит в простой схеме управления.

Структурное построение схем управления (СУ) для ИСН с тремя способами стабилизации напряжения приведено на рис. 2.6. В общем случае каждая схема содержит делитель напряжения (ДН), источник опорного напряжения (ИОН), сравнивающий элемент 1 и усилитель рассогласования У. В зависимости от способа стабили­зации в состав СУ также входят:

 формирователь синхронизирующего напряжения (ФСН), сравнивающий элемент 2 и пороговое устройство (ПУ) для ИСН с ШИМ (рис. 2.6, а);

 частотный преобразователь (ЧП) для ИСН с ЧИМ (рис. 2.6, б);

 пороговое устройство для релейного ИСН (рис. 2.6, в).

а

б в

Рис. 2.6. Структурные схемы цепей управления: а  с ШИМ; б  с ЧИМ; в  двухпозиционная (релейная)

Во всех трех СУ в первый элемент сравнения поступают по­стоянное опорное напряжение U_оп и пересчитанное выходное на­пряжение стабилизатора u_ст. Разность этих напряжений  поступает на вход усилителя постоянного тока.

В схеме на рис. 2.6, а формирование модулированных по длительности импульсов u_пу(t_и) происходит в пороговом устройстве ПУ, на вход которого поступают разность усиленного сигнала рас­согласования _у и синхронизирующего напряжения u_зг. Изменение длительности управляющею импульса осуществляется модуляцией его фронта или среза.

При модуляции фронта (рис. 2.7, а) линейно изменяющееся напряжение синхронизации u_зг на каждом периоде нарастает (ско­рость его изменения положительная). Поскольку пороговое уст­-

Рис. 2.7. Диаграммы изменений напряжений при модуляции фронта (а), среза (б), фронта и среза (в)

ройство в общем случае может обладать гистерезисом (2₀) и инерционностью из-за влияния времени рассасывания неосновных но­сителей в полупроводниковых приборах), то его срабатывание происходит через ₁ и ₂ от момента пересечения управляющего напряжения с горизонтальными прямыми ₀ и ₀. Длительности воздействия на базу регулирующего транзистора ИСН управляю­щего импульса и паузы соответственно равны _зT и _рT.

При модуляции среза (рис. 2.7, б) напряжение u_зг на каждом периоде спадает (скорость его изменения отрицательная). При мо­дуляции фронта и среза (рис. 2.7, в) напряжение синхронизации на каждом периоде нарастает и спадает. Этот вид модуляции по срав­нению с односторонней модуляцией (рис. 2.7, а, б), позволяет реа­лизовать более быстродействующие ИСН, так как в этом случае мгновенное значение управляющего напряжения влияет на форми­рование фронта и среза.

Коэффициент передачи схемы управления, устанавливающий связь между изменениями относительной длительности  импуль­сов на входе сглаживающего фильтра и напряжения u_н на нагрузке

KШИМ =  / uн = Kдн Kу / 2Um зг,

(2.2.1)

где K_дн, K_у  коэффициенты передачи делителя напряжения и уси­лителя рассогласования соответственно; 2U_m зг  двойная амплитуда синхронизирующего напряжения.

В схеме управления релейного ИСН (см. рис. 2.6, в) усилен­ный сигнал рассогласования _y (рис. 2.8) поступает на вход порого­вого устройства, которое переключается так же, как в схеме с ШИМ.

В схемах на рис. 2.6, a, б, в первые три звена (ДН, ИОН и У вместе с элементом сравнения 1) схемы управления ИСН выпол­няют те же функции, что и аналогичные звенья в СУ непрерывных стабилизаторов.

Рис. 2.8. Формирование выходного напряжения порогового устройства в зависимости от усиленного сигнала рассогласования

Если имеется источник переменного напряжения прямо­угольной формы (например, напряжение на дополнительной об­мотке трансформатора преобразователя), то линейно изменяющееся напряжение спадающего вида может быть получено при помощи простой схемы формирователя синхронизирующего напряжения (ФСН) на рис .2.9, а, состоящей из конденсатора C, мостового выпрямителя VD и резистивного делителя напряжения R₁, R₂. Сравнительно большая постоянная времени (R₁ + R₂)С цепи позво­ляет получить на каждом полупериоде перезаряда конденсатора необходимую линейность изменения тока i_C, следовательно, и на­пряжения на резисторе R₂. После мостового выпрямителя напряже­ние u_зг имеет двойную частоту и постоянную составляющую U_п0.

Недостатком схемы на рис. 2.9, а является пропорциональная зависимость формы u_зг от напряжения питания, что может привести при быстрых изменениях u_п1 к нарушению режима стабилизации в ИСН. Устранить недостаток можно дополнительным включением транзистора VT, стабилитронов VD₂ и VD₃, конденсатора C₂ и рези­сторов R₃R₆ (как показано на рис. 2.9, б). В этой схеме формиро­вание линейно изменяющегося напряжения нарастающего вида происходит следующим образом. В интервалах времени между им­пульсами u₂ (рис. 2.9, б) конденсатор C₂ периодически заряжается от U_п0 до (U_п0 + 2U_m зг) через резистор R₅ от источника напряжения, выполненного на стабилитроне VD₃ и резисторе R₆. В кратковре­менные моменты воздействия импульсов u₂ на базу транзистора VT он открывается, и конденсатор мгновенно разряжается до U_п0 через резистор R₄, стабилитрон VD₂ и переход коллектор-эмиттер насы­щенного транзистора. Применение стабилитрона VD₃ и режима бы­строго перезаряда конденсатора дифференцирующей цепи позво­ляет исключить влияние u_п1 и U_доп на параметры u_зг.

а

б

Рис. 2.9. Схемы формирователей синхронизирующего напряжения

При наличии источника однополярных импульсов напряже­ние синхронизации может быть сформировано простейшей RС-це­пью. В этом случае напряжение u_зг имеет треугольную форму, при которой происходит модуляция фронта и среза управляющих импульсов.

К недостаткам схем на рис. 2.9 относится обязательное нали­чие источника двухполярных или однополярных импульсов u_п.

В качестве пороговых устройств ПУ могут быть применены усилитель постоянного тока на одном или двух транзисторах, опе­рационный усилитель (ОУ), работающий в режиме компаратора, а также триггер. Для обеспечения высокой крутизны фронтов управляющих импульсов в схему включают выходной транзистор. В ИСН с ШИМ на один из входов подается u_зг, а на другой  уси­ленный сигнал рассогласования _у. Если ПУ применяется в релей­ных ИСН, то напряжение u_зг заменяется на постоянное.

Рис. 2.10. Схема порогового устройства

На рис. 2.10 приведен вариант построения порогового уст­ройства для управления ИСН. Формирование фронтов выходного напряжения в схеме происходит при _у  u_зг.