Предисловие (стр. 19 )

Не смотря на миниатюрное исполнение, ИСН серии КР142 имеют достаточно высокие параметры и включают защиту от перегрузки и перегрева.

КСН имеют КПД более высокий, чем ПСН, но все равно небольшой из-за потери значительной мощности на РЭ, работающего в активном режиме.

В рассмотренных стабилизаторах напряжения регулирующий транзистор всегда открыт, а само регулирование осуществляется путем изменения степени его открытия, т. е. линейно. Поэтому такие стабилизаторы называются линейными.

Импульсный стабилизатор напряжения. Очевидно, чтобы поднять КПД необходимо отказаться от активного режима работы регулирующего элемента и перейти в режим ключа, когда РЭ может находиться только в двух состояниях – режимах отсечки и насыщения. В первом режиме ток через РЭ не проходит и потери мощности в нем равны нулю. Во втором режиме РЭ обладает минимально возможным (близким к нулю) сопротивлением, следовательно, потери в нем будут небольшими.

Режим работы СН, когда РЭ работает в активном режиме, называют непрерывным, а когда РЭ работает в режиме ключа – импульсным. Любое устройство в зависимости от режима работы относят к устройствам непрерывного действия или импульсным.

Схема импульсного СН (рис. 2.41) напоминает структуру последовательного КСН. Таким же образом усиливается дифференциальное напряжение, полученное с помощью измерительного устройства ИУ, которое сравнивает выходное напряжение с опорным. (формируемом источником опорного напряжения ИОН). Далее усиленное напряжение рассогласования поступает на ШИМ – широтно-импульсный модулятор, который изменяет ширину вырабатываемых генератором Г однополярных прямоугольных импульсов. В свою очередь, электронный ключ ЭК управляется импульсами от генератора: он замкнут на протяжении импульса и разомкнут в паузах между ними. В моменты замкнутого ЭК в нагрузке и индуктивности L протекает нарастающий электрический ток (контур +Uвх – L – нагрузка – 0V). В моменты, когда ЭК разомкнут, индуктивность является источником энергии, которую она накопила при нарастающем токе. Контур с током образуется благодаря обратно включенному диоду VD (L – нагрузка – VD). Среднее выходное напряжение будет обратно пропорционально скважности импульсов Q = T/tи, поступающих от Г. Здесь Т – период следования импульсов (в системах с ШИМ является постоянной величиной), tи – продолжительность импульса.

Амплитуда пульсаций выходного напряжения импульсного СН падает с ростом частоты генератора Г, поэтому современные стабилизаторы работают на частотах 30…1000 кГц и даже выше.

В настоящее время ШИМ-контроллеры, представляющие систему управления СУ импульсного СН, а иногда и УЭ, изготовляют по интегральной технологии. Поэтому сложные импульсные СН могут оказаться более простыми схемотехнически по сравнению с КСН, если использовать специализированные микросхемы.

Импульсные стабилизаторы обеспечивают более высокий КПД, так как в полностью открытом состоянии падение напряжения на транзисторе очень небольшое, а следовательно, мощность, рассеиваемая на транзисторе, гораздо меньше той мощности, которая рассеивается в линейных стабилизаторах.

Поскольку регулирование напряжения осуществляется путем изменения ширины импульсов t, этот принцип работы получил название широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

2.4.5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Преобразователи постоянного напряжения (DC-DC – преобразователи) управляют энергией, поступающей от источника постоянного напряжения (например, аккумулятора), преобразуя это напряжение по величине. Имеются схемы понижающих, повышающих и инвертирующих DC-DC-преобразователей. Преобразователи понижающего типа имеют напряжение на выходе меньшее, чем на входе. Принцип работы такого преобразователя можно прояснить с помощью схемы (рис. 2.42,а). Транзисторный ключ VT , управляемый схемой СУ подключает дроссель L и нагрузку R на время импульса tи к источнику входного напряжения Uвх. При этом ток в дросселе iL возрастает практически по линейному закону (рис. 2.42,г). За время паузы tп ток iL, проходя через нагрузку R и диод VD спадает до iLmin (рис. 2.42,д) в режиме непрерывных токов или до нуля в режиме прерывных токов. В установившемся режиме изменение тока дросселя за один период равно нулю или ΔiL = 0 (на сколько ток возрастает, на столько же он уменьшается). Следовательно среднее значение напряжения на дросселе за период тоже остается постоянным. Учитывая, что при включенном транзисторе напряжение на дросселе UL = Uвх – Uвых, а при выключенном UL = – Uвых, получим (Uвх – Uвых) tu – Uвыхtп= 0 или Uвых= Uвх tu/( tu+tп)

Изменяя соотношение длительности импульса tu и паузы tп, получают на выходе (рис. 2.42,е) среднее значение напряжения Uвых < Uвх. Габариты и масса такого преобразователя уменьшаются при увеличении частоты переключения транзистора, однако при этом увеличиваются потери во всех элементах схемы. Приемлемый компромисс достигается при частотах в сотни килогерц.

Повышающий DC-DC-преобразователь (рис. 2.42,б) содержит те же элементы, что рассмотренный выше. Однако расположены они иначе. При включении транзистора цепь источника питания замыкается через дроссель накоротко и ток iL возрастает по линейному закону. В это время заряженный в предыдущих циклах конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки и напряжение на ней уменьшается по экспоненциальному закону.

Uвых

После выключение транзистора ток дросселя iL замкнется через диод VD и сопротивление нагрузки, подзаряжая при этом конденсатор С.

Напряжение на дросселе .

Учитывая, что среднее значение напряжения на дросселе остается неизменным и при включенном транзисторе напряжение на дросселе UL = Uвх, а при выключенном Uвх – Uвых, получим Uвх tu +(Uвх– Uвых)tп = 0. Откуда следует Uвых= Uвх ( tu+tп)/tu.

В инвертирующем преобразователе (рис. 2.42,в) при включении транзистора ток источника замыкается через дроссель. При выключении транзистора ток дросселя в соответствии с законом коммутации сохраняет свое значение и замыкается через нагрузку и диод, создавая напряжение на нагрузке противоположное входному напряжению. В установившемся режиме средний ток через дроссель и напряжение на нем остаются неизменными.

Поэтому Uвх tu + Uвых tu = 0 или Uвых= Uвх tu/tп

Изменяя соотношение времени импульса tu и паузы tп можно получить повышение или понижение напряжения на выходе преобразователя.

Рассмотренные преобразователи используются часто как регуляторы напряжений. Хотя инвертирующий преобразователь является более универсальным, применяется он реже двух других, поскольку при прочих равных условиях требует больших значений индуктивности L и емкости С и поэтому имеет большие габариты и массу. Кроме рассмотренных имеется большое число других схем DC–DC-преобразователей. Все они, как правило, дополняются фильтрами на входе и выходе, соответственно, для уменьшения импульсных помех по питанию и уменьшения пульсаций выходного напряжения.

2.4.6. Силовые устройства на основе тиристоров

и мощных транзисторов

К силовым устройствам относят такие электронные устройства, которые обеспечивают преобразование энергии в электрических цепях, токи в которых измеряются десятками, сотнями и даже тысячами ампер (рис.2.43), а величины напряжения – сотнями и тысячами вольт.

Эти устройства бывают следующих видов:

– регулируемые выпрямители (преобразуют переменное напряжение в постоянное, регулируемое по величине);

– преобразователи частоты (преобразуют переменное напряжение одной частоты в переменное напряжение другой, регулируемой частоты);

– инверторы (преобразуют постоянное напряжение в переменное).

Управляемые выпрямители. Управляемые выпрямители на основе тиристоров позволяют изменять постоянную составляющую напряжения U0 от нуля до максимального значения, определяемого формулами для диодных выпрямителей, при неизменном напряжении сети переменного тока.

Рассмотрим принцип работы таких схем на примере однополу-периодного выпрямителя.

К синусоидальному напряжению сети Uc с амплитудой Umax подключены нагрузка R и тиристор VS (рис. 2.44,а). Тиристор открывается в момент времени, определяемый подачей на управляющий электрод УЭ импульса напряжения от схемы управления (если полупериод соответствует π, то этот момент времени соответствует углу α). В результате в течение интервала a–p к нагрузке подводится напряжение, заштрихованное на рис. 2.44,г, и по ней протекает ток.

.