6.2. Импульсный стабилизатор напряжения

понижающего типа

Схема на рис. 6 (а также схема у=1 в табл.3) позволяет получить на выходе напряжение меньше напряжения на входе.

Импульсный стабилизатор напряжения включает в себя силовую часть (регулирующий транзистор VT, фильтр LC и диод VD) и схему управления СУ.

Постоянное напряжение Uвх от выпрямителя или аккумуляторной батареи подается на регулирующий транзистор VT, а затем через LC-фильтр на выход стабилизатора.

Рассмотрим электрические процессы, протекающие в схеме рис.6 при переключении регулирующего транзистора VT и коммутирующего диода VD.

На рис.7,а приведены временные диаграммы токов и напряжений для схемы на рис.6 (силовой канал) при безразрывном токе дросселя i_L в установившемся режиме. Транзистор VT отпирается низким потенциалом управляющего импульса Uу. Как видно из диаграммы, в интервале времени от 0 до tи, регулирующий транзистор открыт и находится в режиме насыщения — его коллекторный ток i_к возрастает. В этом интервале времени i_к=i_L. Коммутирующий диод закрыт и находится под обратным напряжением, равным напряжению на входе U_vd = -Uвх, ток диода i_VD=0.

Рисунок 6. Импульсный стабилизатор

Напряжения.

В интервале открытого состояния регулирующего транзистора напряжение на обмотке дросселя равно разности напряжений ΔU=Uвх—Uн и в дросселе накапливается энергия.

При запирании регулирующего транзистора в момент tи в дросселе наводится ЭДС самоиндукции, в результате чего открывается коммутирующий диод VD. Исходя из постоянства тока в дросселе, ток диода i_VD в момент его включения равен току коллектора регулирующего транзистора i_к в момент его запирания.

На интервале времени [tи;Т] регулирующий транзистор закрыт, а коммутирующий диод открыт. Энергия, накопленная в дросселе во время открытого состояния регулирующего транзистора, расходуется на поддержание тока нагрузки стабилизатора. Ток дросселя i_L уменьшается и равен току коммутирующего диода i_VD.

Рисунок 7. Временные диаграммы в ИСН с ШИМ

Напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора максимально и равно входному напряжению стабилизатора. Среднее значение напряжения на выходе стабилизатора равно

Uн=Uвх Кз

где Кз - коэффициент заполнения, определяемый как Кз= tи/Т

На рис.6 приведен пример схемы управления (СУ) в простейшем режиме управления по напряжению. Блок-схема СУ ключевым регулятором содержит минимально необходимое число блоков и имеет только обязательные выводы.

Потенциал Uос, определяемый напряжением на нагрузке регулятора, умноженным на коэффициент деления делителя R1, R2, сравнивается с потенциалом Uоп выхода источника опорного напряжения ИОН. Полученная разность напряжений δ=|Uоп--Uос|, называемая сигналом рассогласования или сигналом ошибки, усиливается усилителем сигнала ошибки (УСО), создающим напряжение Uош (рис.7,б). Этот сигнал сравнивается с сигналом генератора U_П (рис.7,в). В момент to, произвольно выбранный нами за начало отсчета времени в установившемся режиме работы, сигнал генератора U_П превышает сигнал УСО Uош и на выходе импульсного модулятора (ИМ) формируется положительное напряжение U_М (рис.7,г). Это напряжение отпирает транзистор драйвера (импульсного), создавая низкий потенциал на его выходе Uу, (Рис. 7,д), что обусловливает открытое состояние силового транзистора в этот момент. Вследствие этого потенциал на коллекторе этого транзистора Uф положителен и близок к потенциалу входного напряжения (рис.7,е). Разность между этим потенциалом и потенциалом нагрузки Uн приложена к дросселю L и вызывает нарастание тока в дросселе на этом временном интервале (Рис. 7,ж). Потенциал нагрузки Uн при этом несколько нарастает, на рис.7,з показана переменная составляющая этого потенциала.

Начиная с момента t₁, когда потенциалы U_П и Uош сравниваются, состояние схемы изменяется. Потенциал U_М падает до нуля, что приводит к запиранию транзистора драйвера, потенциал Uу повышается и силовой транзистор запирается. Ток индуктивности замыкается при этом через обратный диод VD и потенциал Uф падает до прямого напряжения этого диода. При этом к индуктивности дросселя L прикладывается напряжение конденсатора фильтра С (за вычетом прямого падения на диоде), которое приводит к спаду тока через дроссель. Напряжение на конденсаторе при этом несколько снижается. Этот интервал, называемый интервалом паузы [tи,T], продолжается до момента t₂, когда напряжения сравниваются. Начиная с этого момента, состояние схемы подобно уже описанному состоянию в момент to. Оно продолжается до нового момента t_з сравнения напряжений U_П и Uош. Интервал [t₂ - t₃ ] называется интервалом импульса [0,tи].

Итак, сигнал управления, снимаемый с R₂ (U_ос, ), сравнивается с опорным для выделения сигнала ошибки, т.е. отклонения выходного напряжении Uн от номинального (Uош), а затем Uош сравнивается с однополярным пилообразным напряжением U_п , в результате чего формируются прямоугольные управляющие импульсы Uу.

В зависимости от величины Uош состояние схемы изменяется в разные моменты времени периода коммутации. Это обеспечивает изменение коэффициента заполнения (К_з=t_и/Т), а также выполнение условия U_н=U_вхK₃=сonst . Например, при отклонении Uн в большую сторону сигнал ошибки возрастает до Uош´ (рис.7,г). На выходе модулятора формируются более узкие импульсы Uм, ключевой транзистор VT открыт меньшую часть периода, а коэффициент заполнения Кз снижается. В результате постоянное напряжение на входе LC-фильтра (на выходе инвертора) Uф´ представляет собой более узкие однополярные импульсы. Среднее значение выходного напряжения, определяемое интегралом функции Uф´ за период Т, т.е. площадью этих импульсов, снижается. Происходит компенсация возросшего первоначально напряжения Uн, т.е. его стабилизация (с некоторой точностью).

Период повторения импульсов постоянный, а длительность импульса и паузы зависят от уровня выходного напряжения. Это и есть широтно-импульсная модуляция.

• Расчет силовой части

импульсного стабилизатора напряжения

Исходные данные при питании схемы от шин постоянного тока ЭПУ:

-напряжения питания (известны из предыдущих расчетов)

,( В) ,

,( В) ( В),

-выходное напряжение U н (В),

-ток нагрузки Iн, (A),

-частота преобразования (коммутации) fк, (Гц),

-коэффициент пульсаций выходного напряжения Кпул,(%).

• Порядок расчета

1. Определяем диапазон изменения коэффициента заполнения

Кзмак=Uн/Uвхмин, Кз= Uн/Uвхном, Кзмин=Uн/Uвхмак

2. Определяем значение критической индуктивности дросселя, исходя из условия безразрывности тока дросселя:

,(Гн).

3. По значению Lкр из таблицы П7 Приложения выбираем унифицированный дроссель из условий: частота преобразования должна быть меньше или равна рабочей частоте дросселя; индуктивность дросселя Lдр больше Lкр; максимальный ток подмагничивания дросселя Iпод макс больше или равен Iн. Выбрав тип дросселя, находим из таблицы П7 его омическое сопротивление Rдр.

4. Определяем размах пульсации тока дросселя:

,( А).

5. Определяем требуемое значение емкости выходного конденсатора из условий обеспечения заданного коэффициента пульсации Кпул,% (см. исходные данные Вашего варианта).