Импульсный стабилизатор: прикладное применение

Рейтинг: 0 / 5

Подробности: Категория: Стабилизаторы постоянного тока; Опубликовано: 24.03.2017 14:30; Просмотров: 2653

Понравилась статья - поделись с друзьями

С.А. Елкин, г. Житомир РА 1 '2009
Импульсным стабилизатором постоянного напряжения (ИСПН) принято называть стабилизатор, регулирующий элемент которого, как и контакт реле, имеет два состояния - разомкнутое или замкнутое. Рассмотрим особенности и практическое применение таких стабилизаторов.

По структуре (рис.1) ИСПН представляет собой замкнутую релаксационную систему с реактивными элементами в рабочих цепях, которая охвачена положительной обратной связью по напряжению с выхода на вход устройства.
Существуют три типа ИСПН: понижающий, когда выходное напряжение меньше, чем входное, повышающий, когда выходное напряжение больше, чем входное, и инвертирующий, когда полярность выходного напряжения противоположна по знаку полярности входного напряжения [1].
В отличие от непрерывного (компенсационного) стабилизатора постоянного напряжения, в котором процесс регулирования основан на перераспределении (компенсации) потребляемой от источника питания энергии между нагрузкой и регулирующим элементом, в ИСПН за время, когда открыт регулирующий элемент, энергия
накапливается одновременно в дросселе и выходном конденсаторе. Это обеспечивает значительно более высокий КПД ИСПН по сравнению с компенсационным.
Когда регулирующий элемент закрыт, энергия, которая была накоплена в дросселе, возвращается через демпферный диод VD1 (рис.1) во вторичный источник питания уже без участия регулирующего элемента.
В качестве примера рассмотрим хорошо себя зарекомендовавшую по простоте и повторяемости схему понижающего ИСПН, предложенную в [2].
В схему ИСПН (рис.2), по сравнению с исходным вариантом, внесены лишь некоторые изменения, позволяющие использовать ее в качестве вторичного источника постоянного напряжения питания для покупного излучателя с двенадцатью ультраяркими светодиодами.
В этой схеме функцию регулирующего элемента (ключ S, рис.1) на принципиальной схеме, показанной на рис.2, выполняет транзистор VT3, накопительной индуктивности - дроссель L1, демпферного диода - VD3, накопительной емкости - конденсатор С2, порогового элемента,

вход которого подключен к выходу стабилизатора, - стабилитрон VD4, а формирователя управляющего сигнала - триггер Шмитта, который собран на транзисторах VT1 и VT2.
Схема ИСПН работает таким образом: при подключении питающего напряжения (до достижения напряжения на конденсаторе С2 напряжения срабатывания порогового элемента) элементы схемы находятся в следующих исходных состояниях: транзистор VT1 - закрыт, поскольку его база присоединена к общему проводу через резистор R2. При этом стабилитрон VD4 закрыт,

а транзисторы VT2 и VT3 - открыты. Демпферный диод VD3 закрыт.
Положительное напряжение беспрепятственно проходит от первичного источника постоянного тока через последовательно включенные открытый транзистор VT3 и дроссель L1 на конденсатор С2, который является вторичным источником питания, а с его обкладок - в нагрузку.
В связи с наличием дросселя L1 в зарядной цепи конденсатора С2 характер тока в ней будет линейно возрастающий.
По мере заряда конденсатора С2 и накопления энергии в магнитном поле дросселя L1 наступает момент, когда напряжение на конденсаторе С2 достигнет величины напряжения стабилизации стабилитрона VD4, и он открывается.
В результате этого на базу транзистора VT1 с выхода ИСПН поступает положительное напряжение, транзистор VT1 открывается, а транзисторы VT2 и VT3 закрываются.
После закрывания транзистора VT3 в дросселе L1 возникает ЭДС самоиндукции, и в некоторый момент времени напряжение на дросселе изменяет свой знак на противоположный.
В результате этого демпферный диод VD3 открывается, и энергия, накопленная в дросселе L1, в соответствующей полярности поступает на конденсатор С2, подзаряжая его. Иначе говоря, энергия, накопленная в дросселе L1, поступает во вторичную цепь постоянного напряжения.
В момент, когда напряжение на конденсаторе С2 станет меньше, чем напряжение стабилизации стабилитрона VD4, он закроется, и ИСПН перейдет в исходное состояние.
Из этого можно сделать вывод, что передача энергии от первичного источника постоянного тока во вторичный источник постоянного тока происходит за два цикла: во время открытого состояния ключа (заряд конденсатора С2 от первичного источника постоянного тока) и во время закрытого состояния ключа (заряд конденсатора С2 энергией, накопленной в дросселе L1 за время первого цикла).
Второе - длительность импульса «подкачки», который поступает от дросселя L1 во втором цикле работы ИСПН, определяется не только конструктивными параметрами дросселя L1, но и значением тока, проходящего через дроссель.
Поэтому стоит напомнить, что в отличие от емкости, значение которой не зависит от тока нагрузки, значение индуктивности дросселя L1 - величина переменная, которая изменяется в зависимости от тока нагрузки.
Отсюда следует сделать вывод, что ИСПН с самовозбуждением работают в режиме частотно-импульсной модуляции, а именно в зависимости от тока нагрузки у них определенным образом изменяется как частота выходных импульсов, так их длительность и скважность.
Диод VD1 предназначен для исключения возможности присоединения к ИСПН источника питания в противоположной полярности.
Недостатки ИСПН
Первым схемотехническим недостатком понижающих ИСПН с самовозбуждением является то, что при коротком замыкании в нагрузке регулирующий транзистор остается в открытом состоянии. Естественно, что такой режим приводит к разогреву и последующему выходу регулирующего транзистора из строя.

Для исключения этого используют, например, резистивные датчики [3] или свойства односторонней проводимости полупроводников. Например, в схему (рис.2) введен диод VD2, который при нормальном функционировании ИСПН закрыт обратным (положительным выходным) напряжением, и не влияет на работу устройства.
При возникновении короткого замыкания (что эквивалентно присоединению минуса вторичного источника питания к его катоду) он открывается и соединяет базу транзистора VT2 с общим проводом, что приводит к его закрыванию, а значит, и к закрыванию регулирующего транзистора VT3.
Стоит отметить, что падение напряжения в прямом направлении на диодах с барьером Шотки имеет величину 0,3.. .0,4 В, что больше чем напряжение отпирания VT2. Именно это свойство, а также высокие частотные показатели позволяют максимально эффективно использовать эти радиокомпоненты в данной схеме ИСПН.
Вторым схемотехническим недостатком простых понижающих ИСПН (как и компенсационных стабилизаторов) является обязательный выход из строя низковольтной нагрузки при пробое Э-К регулирующего транзистора.
Одним из несложных схемотехнических решений прерывания такого состояния является способ «выжигания» предохранителя, например, опубликованный в [4]. Доработанная таким образом схема ИСПН с заменой транзистора КТ825Г его примерным эквивалентом, состоящим из двух транзисторов, показана на рис.3.
Конструкция
Общий вид ИСПН в сборе, который изготовлен по схеме согласно рис.2, показан на рис.4. Как видно из рис.4, для корпуса ИСПН использована баночка от крема для обуви.
Пластинчатый радиатор из алюминия, на котором смонтирован транзистор VT3, использован готовый, от модуля питания МПЗ-3 телевизора ЗУСЦТ.
Радиатор прикреплен к крышке с помощью двух винтов МЗ через два отверстия диаметром 3,2 мм, которые просверлены в ней по месту.

Детали ИСПН размещены на печатной плате, чертеж которой показан рис.5. Плата устройства имеет диаметр 53 мм, и изготовлена из фольгиро-ванного стеклотекстолита толщиной 1,2 мм.
Плата установлена внутри корпуса и закреплена с помощью резьбовой пары МЗ через отверстие диаметром 3,2 мм, которое просверлено по центру днища. Гнездовой соединитель ХS1 типа СГ-5 установлен в отверстие диаметром 12,5 мм, которое просверлено на боковой поверхности корпуса, и прикреплен к корпусу с помощью двух винтов МЗ. Внешний вид ИСПН с герметичной свинцовой АКБ и светодиодным светильником показан на фото в начале статьи.
Детали
Транзисторы и диоды в соответствии со схемой (для данного напряжения питания) с любыми буквами.
Резисторы в соответствии со схемой. Оксидные конденсаторы импортные.
Дроссель L1 для тока 1 А (максимального) намотан на ферритовом кольце К20х12х6 М2000НМ, количество витков - 16, марка провода ПЭВ-2, диаметр - 0,53 мм.
Для тока 2 А дроссель L1 необходимо намотать на двух сложенных вместе кольцах такой же марки и типоразмера, марка провода ПЭВ-2, диаметр провода 0,76 мм, количество витков - 9. Витки следует равномерно, с натягом уложить по периметру магнитопровода. Индуктивность дросселей без учета подмагничивания, измеренная измерителем Е7-15, - 200 мкГн.
Марка ультраярких светодиодов, установленных (причем без всяких токоограничительных резисторов) в покупном светильнике, неизвестна.
Однако поскольку светильник имел батарейный отсек для установки трех элементов типоразмера АА (судя по габаритам), был проведен практический эксперимент.
От блока питания Б5-7 на соответствующие контакты батарейного отсека было кратковременно подано напряжение 4,5 В. При этом ток цепи имел значение около 1 А.

Изучение и обобщение рекомендаций, приведенных в различной радиолюбительской литературе, позволило сделать вывод, что оптимальный (щадящий) режим для ультраярких светодиодов (ну хотя бы для исполнения в данном корпусе) - при напряжении 3,9...4 В. При этом ток потребления излучателя в реальной конструкции уменьшается до 460 мА.
В пересчете на 1 диод это будет 460/12=38 мА, что соответствует значениям, рекомендованным в [3].
Рекомендации
Если у читателя возникли дополнительные вопросы по разделу «Литература», у него есть
реальная возможность ознакомиться с содержанием указанных материалов, посетив Публичную библиотеку по адресу http://publ.lib.ru/ARCHIVES.
Литература
1. Щербина А,. Благий С., Иванов В. Применение микросхемных стабилизаторов серий 142, К142. КР142//Радио. - 1991. - №3. -С.47: №5. - С.68.
2. Компаненко Л. Синхронизируемый импульсный стабилизатор напряжения//Ра-дио. -2004. -№11.-С.32.
3. Широков В. Применение новых типов свето-диодов//Радиохобби. - 2006. - №4. - С.34.
4. Семенов Ю. Импульсные понижающие стабилизаторы//Радио. - 2002. - №5. - С.41.