Стабилизатор напряжения на шим контроллере. Особенности применения импульсного стабилизатора напряжения

Сам принцип широтно-импульсного моделирования (ШИМ) известен уже давно, но применяться в различных схемах он стал относительно недавно. Он является ключевым моментом для работы многих устройств, используемых в различных сферах: источники бесперебойного питания различной мощности, частотные преобразователи, системы регулирования напряжения, тока или оборотов, лабораторные преобразователи частоты и т.д. Он прекрасно показал себя в автомобилестроении и на производстве в качестве элемента для управления работой как сервисных, так и мощных электродвигателей. ШИМ-регулятор хорошо зарекомендовал себя при работе в различных цепях.

Давайте рассмотрим несколько практических примеров, показывающих, как можно регулировать скорость вращения электродвигателя с помощью электронных схем, в состав которых входит ШИМ-регулятор. Предположим, что вам необходимо изменить обороты электродвигателя в системе отопления салона вашего автомобиля. Достаточно полезное усовершенствование, не правда ли? Особенно в межсезонье, когда хочется регулировать температуру в салоне плавно. Двигатель постоянного тока, установленный в этой системе, позволяет изменять обороты, но необходимо повлиять на его ЭДС. С помощью современных электронных элементов эту задачу легко выполнить. Для этого в двигателя включается мощный полевой транзистор. Управляет им, как вы уже догадались, ШИМ- С его помощью можно менять обороты электродвигателя в широких пределах.

Каким образом работает ШИМ-регулятор в цепях В этом случае используется несколько иная схема регулирования, но принцип работы остается тем же. В качестве примера можно рассмотреть работу частотного преобразователя. Такие устройства широко применяются на производстве для регулирования скорости двигателей. Для начала трехфазное напряжение выпрямляется с помощью моста Ларионова и частично сглаживается. И только после этого подается на мощную двуполярную сборку или модуль на базе полевых транзисторов. Управляет же им собранный на базе микроконтроллера. Он и формирует контрольные импульсы, их ширину и частоту, необходимую для формирования определенной скорости электродвигателя.

К сожалению, помимо хороших эксплуатационных характеристик, в схемах, где используется ШИМ-регулятор обычно появляются сильные помехи в силовой цепи. Это связано с наличием индуктивности в обмотках электродвигателей и самой линии. Борются с этим самыми разнообразными схемными решениями: устанавливают мощные сетевые фильтры в цепях переменного тока или ставят обратный диод параллельно двигателю в цепях постоянного электропитания.

Такие схемы отличаются достаточно высокой надежностью в работе и являются инновационными в сфере управления электроприводами различной мощности. Они достаточно компактны и хорошо управляемы. Последние модификации таких устройств широко применяются на производстве.

За последние 10-20 лет количество бытовой электроники многократно выросло. Появилось огромное разнообразие электронных компонентов и готовых модулей. Возросли и требования к питанию, для многих требуется стабилизированное напряжение или стабильный ток.

Драйвер чаще всего используется как стабилизатор тока для светодиодов и зарядки автомобильных аккумуляторов. Такой источник теперь есть в каждой светодиодном прожекторе, лампе или светильнике. Рассмотрим все варианты стабилизации, начиная от старых и простых до самых эффективных и современных. Еще они называются , led driver.

1. Типы стабилизаторов
2. Популярные модели
3. Стабилизатор для светодиодов
4. Драйвер на 220 В
5. Стабилизатор тока, схема
6. LM317
7. Регулируемый стабилизатор тока
8. Цены в Китае

Типы стабилизаторов

Импульсные регулируемые постоянного тока

15 лет назад на первом курсе я сдавал зачёты по предмету «Источники питания» для радиоэлектронной аппаратуры. Начиная с тех пор и до сегодняшнего времени, самым народным и популярным остаётся микросхема LM317 и её аналоги, которая относится к классу линейных стабилизаторов.

На данный момент есть несколько видов стабилизаторов напряжения и тока:

линейные до 10А и входным напряжением до 40В;
импульсные с высоким входным напряжением, понижающие;
импульсные с низким входным напряжением, повышающие.

На импульсном ШИМ контроллере обычно от 3 до 7 ампер по характеристикам. В реальности зависит от системы охлаждения и КПД в конкретном режиме. Повышающий из низкого входного напряжения на выходе делает более высокое. Такой вариант используется для от блоков питания с малым количеством вольт. Например в автомобиле, когда из 12В надо сделать 19В или 45В. С понижающим проще, высокое снижается до нужного уровня.

Про все способы питания светодиодов читайте в статье « к 12 и 220В». Отдельно описаны схемы подключения от простейших за 20 руб до полноценных блоков с хорошим функционалом.

По функционалу они делятся на специализированные и универсальные. Универсальные модули обычно имеют 2 переменных сопротивления, для настройки Вольт и Ампер на выходе. Специализированные чаще всего не имеют построечных элементов и значения на выходе фиксированы. Среди специализированных, распространены стабилизаторы тока для светодиодов, схемы в большом количестве есть в интернете.

Стабилизатор для светодиодов

Сделать стабилизатор тока для светодиодов своими руками проще всего на LM317, требуется только рассчитать резистор для светодиода на онлайн калькуляторе. Питание можно использовать подручное, например:

блок питания от ноутбука на 19V;
от принтера на 24В и 32В;
от бытовой электроники на 12 вольт, 9V.

Преимущества такого преобразователя, это низкая цена, легко купить, минимум деталей, высокая надежность. Если схема стабилизатора тока сложнее, то собирать её своими руками становится не рационально. Если вы не радиолюбитель, то импульсный стабилизатор тока проще и быстрее купить. В дальнейшем его можно доработать до необходимых параметров. Подробнее вы можете узнать в разделе «Готовые модули».

Драйвер на 220 В

Если вас интересует драйвер для светодиода на 220в, то лучше его заказать или купить. Они имеют среднюю сложность изготовления, но настройка отнимет больше времени и потребуется опыт по наладке.

Светодиодный драйвер на 220 можно извлечь из неисправных светодиодных ламп, светильников и прожекторов, у которых неисправна цепь со светодиодами. К тому же практически любой имеющийся драйвер можно доработать. Для этого узнайте модель ШИМ контроллера, на котором собран преобразователь. Обычно параметры на выходе задаются резистором или несколькими. По даташиту (datasheet) посмотрите, какое сопротивление должно быть, чтобы получить нужные Амперы.

Если поставить регулируемый резистор рассчитанного номинала, то количество Ампер на выходе будет настраиваемым. Только не превышайте номинальную мощность, которая была указана.

Стабилизатор тока, схема

Мне приходится часто просматривать ассортимент на Aliexpress в поисках недорогих но качественных модулей. Разница по стоимости может быть в 2-3 раза, время уходит на поиск минимальной цены. Но благодаря этому делаю заказ на 2-3 штуки для тестов. Покупаю для обзоров и консультаций производителей, которые покупают комплектующие в Китае.

В июне 2016 года оптимальным выбором стал универсальный модуль на XL4015, цена которого 110руб с бесплатной доставкой. Его характеристики подходят для подключения мощных светодиодов до 100 Ватт.

Схема в режиме драйвера.

В стандартном варианте корпус XL4015 припаян к плате, которая служит радиатором. Для улучшения охлаждения на корпус XL4015 надо поставить радиатор. Большинство ставят его сверху, но эффективность такой установки низкая. Лучше систему охлаждения ставить снизу платы, напротив места пайки микросхемы. В идеале её лучше отпаять и поставить на полноценный радиатор через термопасту. Ножки скорее всего придется удлинить проводами. Если потребуется такое серьезное охлаждение контроллеру, то оно потребуется и диоду Шотки. Его тоже придётся поставить на радиатор. Такая доработка значительно повысит надежность всей схемы.

В основном модули не имеют защиты от неправильной подачи питания. Это моментально выводит их из строя, будьте внимательны.

LM317

Применение (крен) даже не требует каких либо навыков и знаний по электронике. Количество внешних элементов в схемах минимально, поэтому это доступный вариант для любого. Её цена очень низкая, возможности и применение многократно испытаны и проверены. Только она требует хорошего охлаждения, это её основной недостаток. Единственное стоит опасаться низкокачественных китайских микросхем ЛМ317, которые имеют параметры похуже.

Микросхемы линейной стабилизации из-за отсутствия лишних шумов на выходе, использовал для питания высококачественных ЦАП класса Hi-Fi и Hi-End. Для ЦАП огромную роль играет чистота питания, поэтому некоторые используют аккумуляторы для этого.

Максимальная сила для LM317 составляет 1,5 Ампера. Для увеличения количества ампер можно добавить в схему полевой транзистор или обычный. На выходе можно будет получить до 10А, задаётся низкоомным сопротивлением. На данной схеме основную нагрузку на себя берёт транзистор КТ825.

Другой способ, это поставить аналог с более высокими техническими характеристиками на большую систему охлаждения.

Регулируемый стабилизатор тока

Меня как радиолюбителя со стажем 20 лет радует ассортимент продаваемых готовых блоков и модулей. Сейчас из готовых блоков можно собрать любое устройство за минимальное время.

Я начал терять доверие к китайской продукции, после того, как у видел в «Танковом биатлоне», как у лучшего китайского танка отпало колесо.

Лидером по ассортименту блоков питания, преобразователей тока DC-DC, драйверов стали китайские интернет-магазины. У них в свободной продаже можно найти практически любые модули, если поискать получше, то и очень узкоспециализированные. Например за 10.000 т.руб можно собрать спектрометр стоимостью 100.000 руб. Где 90% цены это накрутка за бренд и немного доработанный китайский софт.

Цена начинается от 35руб. за DC-DC преобразователь напряжения, драйвер подороже и отличается двумя тремя подстроечными резисторами, вместо одного.

Для более универсального использования лучше подходит регулируемый драйвер. Основное отличие, это установка переменного резистора в цепи, задающей амперы на выходе. Эти характеристики могут быть указаны в типовых схемах включения в спецификациях на микросхему, даташит, datasheet.

Слабые места таких драйверов, это нагрев дросселя и диода Шотки. В зависимости от модели ШИМ контроллера, они выдерживают то 1А до 3А без дополнительного охлаждения микросхемы. Если выше 3А, то требуется охлаждение ШИМ и мощного диода Шотки. Дроссель перематывают более толстым проводом или заменяют на подходящий.

КПД зависит от режима работы, разницы напряжения между входом и выходом. Чем выше коэффициент полезного действия, тем ниже нагрев стабилизатора.

Цены в Китае

Стоимость очень низкая, с учетом того, что доставка включена в цену. Раньше я думал, что из-за товара за 30-50 руб китайцы даже и мараться не будут, много работы при малом доходе. Но как показала практика, я ошибался. Любую копеечную ерунду они упаковывают и отсылают. Приходит в 98% случаев, а закупаю на Aliexpress уже более 7 лет и на большие суммы, наверное уже около 1 млн руб.

Поэтому оформляю заказ заранее, обычно 2-3 штуки одного наименования. Ненужное распродаю на местном форуме или Авито, всё расходится как горячие пирожки.

5 кВА / 3-5 кВт 3 кВА / 2-3 кВт 2 кВА / 1,5-2 кВт

1.5кВА / 0-1,5 кВт

Тип управления

Электромеханические

Релейные Тиристорные

Инверторные

Области применения

Для дома

Для дачи Для газового котла Для компьютера Для стиральной машины Для холодильника Для телевизора Промышленные (мощные)

Морозостойкие

Однофазные стабилизаторы Трехфазные стабилизаторы Инверторы Бензиновые генераторы Аккумуляторы Стойки коммутационные Сварочные аппараты Блоки контроля сети

Услуги

Новости

Добавлена новая категория товаров - "Стойки коммутационные"
13 июля 2016, 22:40

Бесплатно

Бесплатная доставка по Москве при сумме заказа от 10000 руб.

В настоящее время на рынке широко представлены микросхемы (отечественные и импортные), которые реализуют различный набор функций ШИМ-управления для импульсных источников питания. Среди микросхем подобного типа КР1114ЕУ4 (производитель. ЗАО "Кремний-Маркетинг", Россия) достаточно популярна. Ее импортный аналог - TL494CN (Texas Instrument). Кроме того, она выпускается рядом фирм под разными наименованиями. Например, (Япония) выпускает микросхему IR3M02, (Корея) - КА7500, ф. Fujitsu (Япония) МВ3759.

Микросхема КР1114ЕУ4 (TL494) представляет из себя ШИМ-контроллер импульсного источника питания, работающий на фиксированной частоте. Структура микросхемы приведена на рис.1.

На базе данной микросхемы можно разрабатывать схемы управления для двухтактных и однотактных импульсных источников питания. Микросхема реализует полный набор функций ШИМ-управления: формирование опорного напряжения, усиление сигнала ошибки, формирование пилообразного напряжения, ШИМ-модуляцию, формирование 2-тактного выхода, защиту от сквозных токов и пр. Выпускается в 16-выводном корпусе, цоколевка представлена на рис.2.

Встроенный генератор пилообразного напряжения требует для установки частоты только двух внешних компонентов - Rt и Ct.Частота генератора определяется по формуле:

Для дистанционного выключения генератора можно внешним ключом замкнуть вход RT (вывод 6) на выход ИОНа (вывод 14) или замкнуть вход СТ (вывод 5) на общий провод.

Микросхема имеет встроенный источник опорного напряжения (Uref=5,0 В), способный обеспечить вытекающий ток до 10 мА для смещения внешних компонентов схемы. Опорное напряжение имеет погрешность 5% в диапазоне рабочих температур от 0 до +70°С.

Структурная схема импульсного понижающего стабилизатора приведена на рис.3.

Регулирующий элемент РЭ преобразует входное постоянное напряжение UBX в последовательность импульсов определенной длительности и частоты, а сглаживающий фильтр (дроссель L1и конденсатор С1 преобразует их опять в выходное постоянное напряжение. Диод VD1 замыкает цепь тока через дроссель при выключении РЭ. С помощью обратной связи схема управления СУ управляет регулирующим элементом таким образом, что в итоге получается заданная стабильность выходного напряжения Uн.

Стабилизаторы, в зависимости от способа стабилизации, могут быть релейными, с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) и с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ). В стабилизаторах с ШИМ частота импульсов (период) - величина постоянная, а их длительность обратно пропорциональна значению выходного напряжения. На рис.4 показаны импульсы с различным коэффициентом заполнения Кs.

Стабилизаторы с ШИМ по сравнению со стабилизаторами других типов имеют следующие преимущества:

Частота преобразования оптимальна (с точки зрения КПД), определяется внутренним генератором схемы управления и не зависит от каких-либо других факторов; частота пульсации на нагрузке является величиной постоянной, что удобно для построения подавляющих фильтров; возможна синхронизация частот преобразования неограниченного количества стабилизаторов, что исключает возникновение биений при питании нескольких стабилизаторов от общего первичного источника постоянного тока.

Единственно, схемы с ШИМ отличаются сравнительно сложной схемой управления. Но разработка интегральных микросхем типа КР1114ЕУ4, содержащих внутри большую часть узлов СУ с ШИМ, позволяет значительно упростить импульсные стабилизаторы.

Схема импульсного понижающего стабилизатора на базе КР1114ЕУ4 приведена на рис.5.

Максимальное входное напряжение стабилизатора - 30 В, оно ограничено предельно допустимым напряжением сток-исток р-канального полевого транзистораVT1 (RFP60P03). Резистор R3 и конденсатор С5 задают частоту генератора пилообразного напряжения, которая определяется по формуле (1). С источника опорного напряжения (вывода 14) D1 через резистивный делитель R6-R7 на инвертирующий вход первого усилителя ошибки (вывод 2) подается часть образцового напряжения. Сигнал обратной связи через делитель R8-R9 подается на неинвертирующий вход первого усилителя ошибки (вывод 1) микросхемы. Выходное напряжение регулируется резистором R7.Резистор R5 и конденсатор С6 осуществляют частотную коррекцию первого усилителя.

Следует отметить, что независимые выходные формирователи микросхемы обеспечивают работу выходного каскада как в двухтактном, так и в однотактном режимах. В стабилизаторе выходной формирователь микросхемы включен в однотактном режиме. Для этого вывод 13 включен на общий провод. Два выходных транзистора (их коллекторы - выводы 8, 11, эмиттеры - выводы 9, 10) включены по схеме с общим эмиттером и работают параллельно. При этом выходная частота равна частоте генератора. Выходной каскад микросхемы через резистивный делитель

R1-R2 управляет регулирующим элементом стабилизатора - полевым транзистором VT1. Для более устойчивой работы стабилизатора по питанию микросхемы (вывод 12) включен LC-фильтр L1-C2-C3. Как видно из схемы, при применении КР1114ЕУ4 требуется сравнительное небольшое число внешних элементов. Уменьшить коммутационные потери и повысить КПД стабилизатора удалось благодаря использованию диода Шоттки (VD2) КД2998Б (Unp=0,54 В, Uобр=30 В, lпр=30 A, fmax=200кГц).

Для защиты стабилизатора от перегрузки по току применен самовосстанавливающийся предохранитель FU1 MF-R400. Принцип работы подобных предохранителей основан на свойстве резко увеличивать свое сопротивление под воздействием определенного значения тока или температуры окружающей среды и автоматически восстанавливать свои свойства при устранения этих причин.

Стабилизатор имеет максимальный КПД (около 90%) на частоте 12 кГц, а КПД при выходной мощности до 10 Вт (Uвых=10 В) достигает 93%.

Детали и конструкция. Постоянные резисторы - типа С2-ЗЗН, переменные - СП5-3 или СП5-2ВА. Конденсаторы С1 С3, С5-К50-35; С4, С6, С7 -К10-17. Диод VD2 можно заменить любым другим диодом Шоттки с параметрами не хуже вышеуказанных, например, 20TQ045. Микросхема КР1114ЕУ4 заменяется на TL494LN или на TL494CN. Дроссель L1 - ДМ-0,1-80 (0,1 А, 80 мкГн). Дроссель L2 индуктивностью порядка 220 мкГн выполнен на двух сложенных вместе кольцевых магнитопроводах. МП-140 К24х13x6,5 и содержит 45 витков провода ПЭТВ-2 01,1 мм, уложенных равномерно в два слоя по всему периметру кольца. Между слоями проложены два слоя лакоткани. ЛШМС-105-0.06 ГОСТ 2214-78. Самовосстанавливающийся предохранитель типа MF-RXXX можно подобрать для каждого конкретного случая.

Стабилизатор выполнен на макетной плате размерами 55x55 мм. Транзистор устанавливается на радиаторе площадью не менее 110 см2. При монтаже целесообразно разделить общий провод силовой части и общий провод микросхемы, а также минимизировать длину проводников (особенно силовой части). В налаживании стабилизатор при правильном монтаже не нуждается.

Общая стоимость покупных радиоэлементов стабилизатора составила у меня порядка 10$, причем стоимость транзистора VT1 - 3...4$. Для снижения стоимости вместо транзистора RFP60P03 можно применить более дешевый RFP10P03, но, конечно, это несколько ухудшит технические характеристики стабилизатора.

Структурная схема импульсного параллельного стабилизатора повышающего типа приведена на рис.6.

В этом стабилизаторе регулирующий элемент РЭ, работающий в импульсном режиме, включен параллельно нагрузке Rh. Когда РЭ открыт, ток от входного источника (Ubx) протекает через дроссель L1, запасая в нем энергию. Диод VD1 при этом отсекает нагрузку и не позволяет конденсатору С1 разряжаться через открытый РЭ. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С1 В следующий момент, когда РЭ закрыт, ЭДС самоиндукции дросселя L1 суммируется с входным напряжением, и энергия дросселя отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение будет больше входного. В отличие от понижающего стабилизатора (рис.1), здесь дроссель не является элементом фильтра, а выходное напряжение становится больше входного на величину, которая определяется индуктивностью дросселя L1 и скважностью импульсов регулирующего элемента РЭ.

Принципиальная схема импульсного повышающего стабилизатора показана на рис.7.

В нем применены, в основном, те же электронные компоненты, что и в схеме понижающего стабилизатора (рис.5).

Уменьшить пульсации можно за счет увеличения емкости выходного фильтра. Для более "мягкого" запуска между общим проводом и неинвертирующим входом первого усилителя ошибки (выводом 1) включен конденсатор С9.

Постоянные резисторы - С2-ЗЗН, переменные - СП5-3 или СП5-2ВА.

Конденсаторы С1 С3, С5, С6, С9 - К50-35; С4, С7, С8 - К10-17. Транзистор VT1 - IRF540 (n-канальный полевой транзистор с Uси=100 В, lc=28 A, Rси=0,077 Ом) - устанавливается на радиаторе с площадью эффективной поверхности не менее 100 см2. Дроссель L2 - такой же, как и в предыдущей схеме.

Первое включение стабилизатора лучше сделать при небольшой нагрузке (0,1...0,2 А) и минимальном выходном напряжении. Затем медленно увеличивать выходное напряжение и ток нагрузки до максимальных значений.

Если повышающий и понижающий стабилизаторы будут работать от одного входного напряжения Uin то их частоту преобразования можно засинхронизировать. Для этого (если понижающий стабилизатор будет ведущим, а повышающий ведомым) в повышающем стабилизаторе нужно удалить резистор R3 и конденсатор С7, замкнуть выводы 6 и 14 микросхемы D1, а вывод 5 D1 соединить с выводом 5 микросхемы D1 понижающего стабилизатора.

В стабилизаторе повышающего типа дроссель L2 не участвует в сглаживании пульсации выходного постоянного напряжения, поэтому для качественной фильтрации выходного напряжения необходимо применять фильтры с достаточно большими значениями L и С. Это, соответственно, приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом. Поэтому удельная мощность понижающего стабилизатора больше, чем повышающего.

Использование схем сдвига уровня позволяет ШИМ-контроллеру управлять напряжением выше, чем его собственное напряжение питания.

Наиболее часто используемым импульсным стабилизатором является понижающий преобразователь напряжения, который эффективно преобразует высокое напряжение в низкое напряжение. На рис. 1 показана типичная схема понижающего преобразователя напряжения, в которой для затвора N-канального MOSFET-транзистора, Q 1 , требуется плавающее управляющее напряжение. Буфер сигнала с плавающим уровнем является частью ИС ШИМ (широтно-импульсная модуляция) контроллера. Транзистор Q 1 может быть как с N- так и с P-каналом, в зависимости от особенностей изготовления контроллера. В любом случае, напряжение питания ИС должно быть не ниже входного напряжения, что накладывает серьезные ограничения на величину входного напряжения в данной схеме.

В схеме на рис. 2 используется простейший каскад сдвига уровня, который позволяет управлять проходным транзистором понижающего преобразователя при помощи микросхемы контроллера с низким напряжением питания. Поскольку схема сдвига уровня изолирует ИС ШИМ от источника высокого напряжения, то по такому принципу можно строить преобразователи с произвольно большим входным напряжением.

ИС ШИМ с драйверами нижнего плеча может управлять N-канальными MOSFET-транзисторами, поскольку они имеют положительное управляющее напряжение между истоком и затвором. В схеме на рис. 2 используется P-канальный транзистор, как MOSFET-транзистор верхнего плеча; и для него управляющее напряжение между истоком и затвором должно быть отрицательным. Поэтому, следует инвертировать выходной сигнал от ШИМ-контроллера. Конфигурация ключа из комплементарных MOSFET-транзисторов Q 2 и Q 3 будет работать при любом типе проходного транзистора, хотя можно использовать и инвертирующий драйвер.

Конденсатор C 2 осуществляет сдвиг уровня. Его величина должна быть достаточно большой, чтобы удерживать заряд на частоте преобразования, но достаточно маленькой, чтобы, напряжение на нем следовало за изменениями входного напряжения. Через резистор R 1 и P-канальный MOSFET-транзистор Q 3 конденсатор C 2 заряжается до напряжения

V C =V IN -V CC ,

где V C - напряжение на C 2 , V IN - входное напряжение, и V CC напряжение питания комплементарной пары Q 2 и Q 3 и ИС ШИМ. Напряжение питания должно быть меньше, чем напряжение стабилизации стабилитрона D 2 . В противном случае, в те моменты, когда транзистор Q 2 будет находиться в открытом состоянии, через стабилитрон D 2 и конденсатор C 2 , что приведет к снижению КПД схемы. Стабилитрон D 2 ограничивает напряжение на C 2 до значения, получаемого из приведенной выше формулы. Когда транзистор Q 3 открыт, стабилитрон D 2 становится прямосмещенным, если напряжение пытается увеличиваться. Напряжение между истоком и затвором транзистора Q 1 в этой схеме равно 0 В, когда открыт транзистор Q 3 , и -V CC , когда открыт транзистор Q 2 .

Резистор R 1 гарантирует, что емкость затвор-исток транзистора Q 1 будет разряжаться, что позволит транзистору Q 1 оставаться в выключенном состоянии, когда на выходе буферного каскада присутствует высокое выходное напряжение. Стабилитрон D 2 ограничивает напряжение между истоком и затвором транзистора Q 1 на уровне 12 В, независимо от входного напряжения стабилизатора. Конденсатор C 2 сглаживает пульсации напряжения на затворе транзистора Q 1 , поэтому параметры схемы управления затвором будут такие же, как и параметры самой схемы комплементарного ключа. Поэтому, схема сдвига уровня не налагает никаких ограничений на используемый MOSFET-транзистор.

На рис. 3 изображена практическая схема понижающего преобразователь напряжения, использующего рассмотренный принцип управления проходным транзистором. Входное напряжение преобразователя может находиться в диапазоне от 18 В до 45 В, при выходном напряжении 12 В и максимальном токе нагрузки 1,5 А. В преобразователе использована микросхема LM5020-1 прямо- и обратноходового ШИМ-контроллера компании National Semiconductor.

На рассматриваемой схеме имеются все те же компоненты, что и на предыдущих схемах, но добавлены еще некоторые функции, такие как: фильтрация входного напряжения конденсатором C 9 ; ограничение бросков входного напряжения резисторами R 2 и R 7 ; обеспечение мягкого запуска с помощь конденсатора C 3 ; возможность регулировки частоты преобразования резистором R3 (для частоты 500 кГц его значение будет составлять 12.7 кΩ); компенсация обратной связи конденсаторами C 7 , C 8 , и резистором R 6 ; и подстройка значения выходного напряжения резисторами R 9 и R 10 .

Микросхема LM5020-1 предназначена для работы в режиме токового управления, но, в этой схеме, работает в режиме управления напряжения. Внутренний источник образцового тока с пиковым значением 50 А, который компенсирует нелинейность токового сигнала, используется для генератора пилообразного напряжения. Этот ток, протекая через резистор R 4 , сопротивлением 5.11 кΩ и внутренний резистор сопротивлением 2 кΩ, служит для генерации пилообразного сигнала, с напряжением от пика до пика (50 ´А×2 кΩ+5.11 кΩ)≈300 мV на выходе CS (вывод 8). На выводе COMP, (вывод 3), этот пилообразный сигнал сравнивается с выходным напряжением ошибки с вывода COMP, в результате чего генерируется сигнал с необходимой шириной импульса для управления проходным транзистором Q 1 .

На рис. 4 показаны эпюры напряжений для рассматриваемой схемы. Канал 1 осциллографа (верхний график) показывает управляющий сигнал, который генерирует микросхема LM5020-1. Канал 2 (средний график) показывает соответствующее напряжение на выходе двухтактного буферного каскада. Канал 3 (нижний график) сдвинутое по уровню выходное напряжение двухтактного каскада, приложенное между затвором и истоком транзистора Q 1 . Пиковое значение напряжения исток-сток транзистора Q 1 равно входному напряжению, и его амплитуда на 8 В превышает, значение управляющего сигнала, который выдает микросхема LM5020-1. Все сигналы чистые и имеют малое время нарастания и спада. КПД данной схемы составляет 86% и 83% при входном напряжении 18 В и 45 В, соответственно.

Из этой статьи вы узнаете о:

Каждый из нас в своей жизни использует большое количество различных электроприборов. Очень большое их число нуждается в низковольтном питании. Другими словами они потребляют электроэнергию, которая не характеризуется напряжением в 220 вольт, а должна иметь от одного до 25-ти вольт.

Конечно, для подачи электроэнергии с таким количеством вольт используются специальные приборы. Однако, проблема возникает не в понижении напряжения, а в соблюдении ее стабильного уровня.

Для этого можно воспользоваться линейными стабилизационными устройствами. Однако такое решение будет очень громоздким удовольствием. Данную задачу идеально выполнит любой импульсный стабилизатор напряжения.

Разобранный импульсный стабилизатор

Если сравнивать импульсные и линейные стабилизационные приборы, то главное их отличие заключается в работе регулирующего элемента. В первом типе приборов этот элемент работает как ключ. Другими словами он находится или в замкнутом, или в разомкнутом состоянии.

Главными элементами импульсных стабилизационных устройств являются регулирующий и интегрирующий элементы. Первый обеспечивает подачу и прерывания подачи электрического тока. Задачей второго является накопление электроэнергии и постепенная ее отдача в нагрузку.

Принцип работы импульсных преобразователей

Принцип работы импульсного стабилизатора

Главный принцип работы заключается в том, что при замыкании регулирующего элемента электроэнергия накапливается в интегрирующем элементе. Это накопление наблюдается повышением напряжения. После того, когда регулирующий элемент отключается, т.е. размыкает линию подачи электричества, интегрирующий компонент отдает электричество, постепенно снижая величину напряжения. Благодаря такому способу работы импульсное стабилизационное устройство не тратит большого количества энергии и может иметь небольшие габариты.

Регулирующий элемент может представлять собой тиристор, биполярный транзитор или полевой транзистор. В качестве интегрирующих элементов могут использоваться дроссели, аккумуляторы или конденсаторы.

Заметим, что импульсные стабилизационные устройства могут работать двумя различными способами. Первый предполагает использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Второй - триггера Шмитта. Как ШИМ, так и триггер Шмитта используются для управления ключами стабилизационного устройства.

Стабилизатор с использованием ШИМ

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, который работает на основе ШИМ, кроме ключа и интегратора в своем составе имеет:

генератор;
операционный усилитель;
модулятор

Работа ключа напрямую зависит от уровня напряжения на входе и скважности импульсов. Влияние на последнюю характеристику осуществляют частота генератора и емкость интегратора. Когда ключ размыкается, начинается процесс отдачи электричества из интегратора в нагрузку.

Принципиальная схема стабилизатора ШИМ

При этом операционный усилитель сравнивает уровни выходного напряжения и напряжения сравнения, определяет разницу и передает необходимую величину усиления на модулятор. Этот модулятор осуществляет преобразование импульсов, которые выдает генератор, на прямоугольные импульсы.

Конечные импульсы характеризуются таким же отклонением скважности, которое пропорционально разности выходного напряжения и напряжения сравнения. Именно эти импульсы и определяют поведение ключа.

То есть при определенной скважности ключ может замыкаться, или размыкаться. Получается, что главную роль в этих стабилизаторах играют импульсы. Собственно от этого и пошло название этих устройств.

Преобразователь с триггером Шмитта

В тех импульсных стабилизационных приборах, которые используют триггер Шмитта, уже нет такого большого количества компонентов, как в предыдущем типе устройства. Здесь главным элементом является триггер Шмитта, в состав которого входит компаратор. Задачей компаратора является сравнение уровня напряжения на выходе и максимально допустимого ее уровня.

Стабилизатор с триггером Шмитта

Когда напряжение на выходе превысило свой максимальный уровень, триггер переключается в нулевую позицию и приводит к размыканию ключа. В это время дроссель или конденсатор разряжаются. Конечно, за характеристиками электрического тока постоянно следит вышеупомянутый компаратор.

И тогда, когда напряжение падает ниже требуемого уровня, фаза «0» меняется на фазу «1». Далее ключ замыкается, и электрический ток поступает в интегратор.

Преимуществом такого импульсного стабилизатора напряжения является то, что его схема и конструкция являются достаточно простыми. Однако он не может применяться во всех случаях.

Стоит отметить, что импульсные стабилизационные устройства могут работать только в отдельных направлениях. Здесь имеется в виду, что они могут быть как сугубо понижающими, так и сугубо повышающими. Также выделяют еще два типа таких приборов, а именно инвертирующий и устройство, которые могут произвольно изменять напряжение.

Схема снижающего импульсного стабилизационного прибора

В дальнейшем рассмотрим схему снижающего импульсного стабилизационного прибора. Он состоит из:

Регулирующего транзистора или любого другого типа ключа.
Катушки индуктивности.
Конденсатора.
Диода.
Нагрузки.
Устройства управления.

Узел, в котором будет накапливаться запас электроэнергии, состоит из самой катушки (дросселя) и конденсатора.

В то время, когда ключ (в нашем случае транзистор) подключен, ток движется к катушке и конденсатору. Диод находится в закрытом состоянии. То есть он не может пропускать ток.

За исходной энергией следит устройство управления, которое в нужный момент отключает ключ, то есть переводит его в состояние отсечки. Когда ключ находится в этом состоянии, происходит уменьшение тока, который проходит через дроссель.

Снижающий импульсный стабилизатор

При этом в дросселе меняется направление напряжения и результате ток получает напряжение, величина которого является разницей между электродвижущей силой самоиндукции катушки и количеством вольт на входе. В это время открывается диод и дроссель через него подает ток в нагрузку.

Когда запас электроэнергии исчерпывается, то происходит подключение ключа, закрытия диода и зарядка дросселя. То есть все повторяется.
Повышающий импульсный стабилизатор напряжения работает подобным образом, как и понижающий. Аналогичным алгоритмом работы характеризуется и инвертирующий стабилизационный прибор. Конечно, его работа имеет свои отличия.

Главное отличие импульсного повышающего устройства заключается в том, то в нем входное напряжение и напряжение катушки имеют одно и тот же направление. В результате они суммируются. В импульсном стабилизаторе сначала размещается дроссель, затем транзистор и диод.

В инвертирующем стабилизационном устройстве направление ЭДС самоиндукции катушки является таковым, как и в понижающем. В то время, когда подключается ключ и закрывается диод, питание обеспечивает конденсатор. Любой из таких приборов можно собрать собственноручно.

Полезный совет: вместо диодов можно использовать и ключи (тиристорные или транзисторные). Однако они должны выполнять операции, которые являются противоположными основном ключу. Другими словами, когда основной ключ закрывается, то ключ вместо диода должен открываться. И наоборот.

Выходя из вышеопределенного строения стабилизаторов напряжения с импульсным регулированием, можно определить те особенности, которые относятся к преимуществам, а которые к недостаткам.

Преимущества

Преимуществами этих устройств являются:

Достаточно легкое достижение такой стабилизации, которая характеризуется очень высоким коэффициентом.
КПД высокого уровня. Благодаря тому, что транзистор работает в алгоритме ключа, происходит малое рассеивание мощности. Это рассеяние значительно меньше, чем в линейных стабилизационных устройствах.
Возможность выравнивания напряжения, которое на входе может колебаться в очень большом диапазоне. Если ток является постоянным, то этот диапазон может составлять от одного до 75-ти вольт. Если же ток является переменный, то этот диапазон может колебаться в пределах 90-260 вольт.
Отсутствие чувствительности к частоте напряжения на входе и к качеству электропитания.
Конечные параметры на выходе являются достаточно устойчивыми даже при условии, если происходят очень большие изменения в токе.
Пульсация напряжения, которое выходит из импульсного устройства, всегда находится в пределах миливольтового диапазона и не зависит от того, какую мощность имеют подключенные электроприборы или их элементы.
Стабилизатор включается всегда мягко. Это означает, что на выходе ток не характеризуется прыжками. Хотя надо отметить, при первом включении выброс тока является высоким. Однако для нивелирования этого явления применяются термисторы, которые имеют отрицательный ТКС.
Малые величины массы и размеров.

Недостатки

Если же говорить о недостатках этих стабилизационных приборов, то они кроются в сложности устройства. Из-за большого количества различных компонентов, которые могут выйти из строя довольно быстро, и специфического способа работы прибор не может похвастаться высоким уровнем надежности.
Он постоянно сталкивается с высоким напряжением. Во время работы часто происходят переключения и наблюдаются сложные температурные условия для кристалла диода. Это однозначно влияет на пригодность к выпрямлению тока.
Частое переключение коммутирующих ключей создает частотные помехи. Их число очень велико и это является негативным фактором.

Полезный совет: для устранения этого недостатка нужно воспользоваться специальными фильтрами.

Их устанавливают как на входе, так и на выходе.В том случае, когда нужно сделать ремонт, то он также сопровождается сложностями. Здесь стоит отметить, что неспециалист поломку устранить не сможет.
Ремонтные работы может осуществить тот, кто хорошо разбирается в таких преобразователях тока и имеет необходимое количество навыков. Иными словами, если такой прибор сгорел и его пользователь не имеет никаких знаний об особенностях прибора, то лучше отнести на ремонт в специализированные компании.
Также для неспециалистов сложно настраивать импульсные стабилизаторы напряжения, в которые может входить 12 вольт или иное количество вольт.
В том случае, если выйдет из строя тиристор или любой другой ключ, могут возникнуть очень сложные последствия на выходе.
К минусам относится и потребность в использовании приборов, которые будут компенсировать коэффициент мощности. Также некоторые специалисты отмечают, что такие стабилизационные устройства стоят дорого и не могут похвастаться большим количеством моделей.

Сферы применения

Но, несмотря на это, такие стабилизаторы могут применяться в очень многих сферах. Однако наиболее употребляются они в радионавигационном оборудовании и электронике.

Кроме этого, их часто применяют для телевизоров с жидкокристаллическим дисплеем и жидкокристаллических мониторов, источников питания цифровых систем, а также для промышленного оборудования, которое нуждается в токе с низким количеством вольт.

Полезный совет: часто импульсные стабилизационные устройства используют в сетях с переменным током. Сами устройства превращают такой ток в постоянный и в том случае, если нужно подключить пользователей, нуждающихся в переменном токе, то на входе нужно подключить фильтр сглаживания и выпрямитель.

Стоит отметить, что любой низковольтный прибор требует использования таких стабилизаторов. Также их можно использовать для непосредственной подзарядки различных аккумуляторов и питания мощных светодиодов.

Внешний вид

Как уже отмечалось выше, преобразователи тока импульсного типа характеризуются небольшими размерами. В зависимости от того, на какой диапазон входных вольт они рассчитаны, зависит их размер и внешний вид.

Если они предназначены для работы с очень малой величиной входного напряжения, то они могут представлять собой малую пластмассовую коробку, от которой отходит определенное количество проводов.

Стабилизаторы, рассчитанные на большое количество входных вольт, представляют собой микросхему, в которой находятся все провода и к которой подключаются все компоненты. О них вы уже узнали.

Внешний вид этих стабилизационных устройств также зависит и от функционального назначения. Если они обеспечивают выход регулируемого (переменного) напряжения, то резиторный делитель размещают вне интегральной схемы. В том случае, если из прибора будет выходить фиксированное количество вольт, то этот делитель уже находится в самой микросхеме.

Важные характеристики

При подборе импульсного стабилизатора напряжения, который может выдавать постоянные 5в или иное количество вольт, обращают внимание на ряд характеристик.

Первой и самой важной характеристикой являются величины минимального и максимального напряжения, которое будет входить в сам стабилизатор. О верхних и нижних границах этой характеристики уже отмечалось.

Вторым важным параметром является наиболее высокий уровень тока на выходе.

Третьей важной характеристикой является номинальный уровень выходного напряжения. Иными словами спектр величин, в рамках которого оно может находиться. Стоит отметить, что многие эксперты утверждают, что максимальное входное и выходное напряжения равны.

Однако в реальности это не так. Причиной этого является то, что входные вольты уменьшаются на ключевом транзисторе. В результате на выходе получается несколько меньшее количество вольт. Равенство может быть только тогда, когда ток нагрузки являются очень малым. То же самое касается и минимальных значений.

Важной характеристикой любого импульсного преобразователя является точность напряжения на выходе.

Полезный совет: на этот показатель следует обращать внимание тогда, когда стабилизационное устройство обеспечивает выход фиксированного количества вольт.

Причиной этого является то, что резистор находится в середине преобразователя и точные его работы определяются в производства. Когда число выходных вольт регулируется пользователем, то регулируется и точность.