Устройство, принцип работы импульсного стабилизатора. видео

Содержание

Классификация приборов

Подразделение приборов на типы осуществляется по различным критериям. Так по соотношению напряжения на входе и выходе различают следующие виды устройств:

Инвертирующие;
Произвольно изменяющие напряжение.

В качестве ключа могут использоваться такие детали, как:

Транзисторы;
Тиристоры.

Кроме этого существуют отличия и в самой работе импульсных стабилизаторов постоянного напряжения. Исходя из этого они классифицируются на модели, функционирующие на:

На основе широтно-импульсной модуляции;
Двухпозиционные.

Достоинства и недостатки стабилизаторов

Модульный стабилизатор

Как и любое другое устройство модульный стабилизатор не является идеальным. Он имеет свои плюсы и минусы, о которых следует знать. К достоинствам прибора относятся:

Легкое достижение стабилизации;
Высокий КПД;
Выравнивание напряжения в широком диапазоне;
Устойчивые выходные параметры;
Компактные габариты;
Мягкое включение.

К недостаткам устройства относится в первую очередь сложное конструктивное исполнение. Наличие в нем большого количества специфических элементов не позволяет добиваться высокой надежности. Кроме того, минусом импульсного стабилизатора постоянного напряжения является:

Создание большого числа частотных помех;
Сложность выполнения ремонтных работ;
Потребность в применении устройств, компенсирующих коэффициент мощности.

Допустимый диапазон частот

Работа этого устройства возможна при достаточно высокой частоте преобразования, что является его главным отличием от приборов с сетевым трансформатором. Повышение этого параметра позволило добиться минимальных габаритов.

Для большинства моделей диапазон частот может составлять от 20 до 80 кГц. Однако выбирая как ключевые, так и ШИМ-приборы нужно учитывать высшие гармоники токов. При этом верхнее значение параметра имеет определенные ограничения, соответствующие требованиям, предъявляемым к радиочастотной аппаратуре.

Применение устройств в сетях переменного тока

Приборы этого класса способны преобразовывать постоянный ток на входе в такой же на выходе. Если предполагается использовать их в сети переменного тока, то потребуется установка выпрямителя и сглаживающего фильтра.

Возможно подключение стабилизатора с использованием мостового выпрямителя. Но в таком случае он будет источником нечетных гармоник и для достижения необходимого коэффициента мощности потребуется использование конденсатора.

Обзор производителей

Выбирая стабилизатор, обращают внимание не только на его технические характеристики, но и на конструктивные особенности. Важна и марка производителя

Вряд ли будет иметь высокое качество прибор, изготовленный не известной широкому кругу покупателей фирмой.

Продукция Smartmodule

Поэтому большинство потребителей предпочитают выбирать модели, принадлежащие популярным брендам, таким как:

Hobbywing;
Smartmodule.

Продукция этих компаний отличается высоким качеством, надежностью и рассчитана на длительный срок службы.

Заключение

Использование бытовой техники и других электроприборов стало неотъемлемым условием комфортной жизни. Но для того, чтобы ваши устройства не выходили из строя при нестабильной работе электросетей, стоит заранее подумать о приобретении стабилизатора. Какую модель выбрать зависит от параметров используемого оборудования. Если предполагается подключение современных ЖК телевизоров, мониторов и аналогичных устройств, то идеальный вариант – это импульсный стабилизатор.

Стабилизаторы тока на транзисторах

Для стабилизации тока через светодиоды можно применить хорошо известные решения:

На рисунке 1 представлена схема, работа которой основана на т.н. эмиттерном повторителе. Транзистор, включенный таким образом, стремится поддерживать напряжение на эмиттере в точности таким же, как и на базе (разница будет только в падении напряжения на переходе база-эмиттер). Таким образом, зафиксировав напряжение базы с помощью стабилитрона, мы получаем фиксированное напряжение на R1.

Далее, используя закон Ома, получаем ток эмиттера: Iэ = Uэ/R1. Ток эмиттера практически совпадает с током коллектора, а значит и с током через светодиоды.

Обычные диоды имеют очень слабую зависимость прямого напряжения от тока, поэтому возможно их применение вместо труднодоступных низковольтных стабилитронов. Вот два варианта схем для транзисторов разной проводимости, в которых стабилитроны заменены двумя обычными диодами VD1, VD2:

Ток через светодиоды задается подбором резистора R2. Резистор R1 выбирают таким образом, чтобы выйти на линейный участок ВАХ диодов (с учетом тока базы транзистора). Напряжение питания всей схемы должно быть не меньше, чем суммарное напряжение всех светодиодов плюс около 2-2.5 вольт сверху для устойчивой работы транзистора.

Сопротивление R1 будет зависеть от коэфф. усиления транзистора hfe и ВАХ диодов. Для S9014 и диодов 1N4148 достаточно будет 10 кОм.

Применим описанный стабилизатор для совершенствования одного из светодиодных светильников, описанного в этой статье. Улучшенная схема будет выглядеть так:

Данная доработка позволяет значительно снизить пульсации тока и, следовательно, яркости светодиодов. Но главный плюс схемы заключается в нормализации режима работы светодиодов и защита их от бросков напряжения во время включения. Это приводит к существенному продлению срока службы светодиодной лампы.

Из осциллограмм видно, что добавив в схему стабилизатор тока для светодиода на транзисторе и стабилитроне, мы тут же уменьшили амплитуду пульсаций в несколько раз:

При указанных на схеме номиналах, на транзисторе рассеивается мощность чуть больше 0.5 Вт, что позволяет обойтись без радиатора. Если емкость балластного конденсатора увеличить до 1.2 мкФ, то на транзисторе будет падать

23 Вольт, а мощность составит около 1 Вт. В этом случае без радиатора не обойтись, но зато пульсации понизятся чуть ли не до нуля.

Вместо указанного на схеме транзистора 2CS4544, можно взять 2SC2482 или аналогичный с током коллектора больше 100 мА и допустимым напряжением Uкэ не менее 300 В (подойдут, например, старые советские КТ940, КТ969).

Желаемый ток, как обычно, задается резистором R*. Стабилитрон рассчитан на напряжение 5.1 В и мощность 0.5 Вт. В качестве светодиодов применены распространенные smd-светодиоды из китайской лампочки (а еще лучше взять готовую лампу и добавить в нее недостающие компоненты).

Теперь рассмотрим схему, представленную на рисунке 2. Вот она отдельно:

Токовым датчиком здесь является резистор, сопротивление которого рассчитывается по формуле 0.6/Iнагр. При увеличении тока через светодиоды, транзистор VT2 начинает открываться сильнее, что приводит к более сильному запиранию транзистора VT1. Ток уменьшается. Таким образом происходит стабилизация выходного тока.

Также, вместо биполярного транзистора, можно применить p-канальный MOSFET. Схема, приведенная ниже, представляет собой мощный светильник на двух 10-ваттных светодиодах и 40-ваттном IRF9510 в корпусе ТО-220 (см. характеристики):

Транзистор VT2 и светодиоды необходимо разместить на общем радиаторе, площадью не менее 900 см 2 (это если без принудительного охлаждения). Использование термопасты обязательно. Ребра радиатора должен быть толстым и массивным, чтобы максимально быстро отводить тепло. Оцинкованные профили для гипсокартона, консервные банки из-под селедки и крышки от кастрюль категорически не подходят.

Если такая мощность не нужна, можно сократить количество светодиодов до одного. Но при этом придется понизить напряжение питания на 3-3.5 вольта. Иначе потребляемая мощность останется прежней, транзистор будет греться в два раза сильнее, а светить будет в два раза хуже.

Работа стабилизаторов тока

Качественное питание всех электротехнических устройств можно гарантированно обеспечить лишь, используя стабилизатор тока. С его помощью компенсируются скачки и перепады в сети, увеличивается срок эксплуатации приборов и оборудования.

Основной функцией стабилизатора является автоматическая поддержка тока потребителя с точно заданными параметрами. Кроме скачков тока, удается компенсировать изменяющуюся мощность нагрузки и температуру окружающей среды. Например, с увеличением мощности, потребляемой оборудованием, произойдет соответствующее изменение потребляемого тока. В результате, произойдет падение напряжения на сопротивлении проводки и источника тока. То есть, с увеличением внутреннего сопротивления, будут более заметны изменения напряжения при увеличении токовой нагрузки.

В состав компенсационного стабилизатора тока с автоматической регулировкой входит цепь отрицательной обратной связи. Изменение соответствующих параметров регулирующего элемента позволяет достичь необходимой стабилизации. На элемент оказывает воздействие импульс обратной связи. Данное явление известно, как функция выходного тока. В зависимости от регулировок, стабилизаторы разделяются на непрерывные, импульсные и смешанные.

Среди множества стабилизаторов очень популярны стабилизаторы тока на полевых транзисторах. Подключение транзистора в данной схеме осуществляется последовательно сопротивлению нагрузки. Это приводит к незначительным изменениям тока нагрузки, в то время, как входное напряжение подвержено существенным изменениям.

Основные схемы силовой части

Данный раздел имеет чрезмерный объём или содержит маловажные подробности.

Если вы не согласны с этим, пожалуйста, покажите в тексте существенность излагаемого материала. В противном случае раздел может быть удалён. Подробности могут быть на странице обсуждения.

По схеме силовой части импульсные стабилизаторы делят обычно на три основных типа: понижающие, повышающие и инвертирующие. Такое разделение сложилось, в частности, в отечественной технической литературе.

Некоторые авторы, рассматривая схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения во всём их многообразии, показывают, что число элементарных базовых схем преобразователя можно свести к двум — понижающего типа и повышающего типа. Также отмечается, что другие схемы импульсного преобразователя напряжения (в том числе инвертирующего преобразователя) могут быть получены каскадным соединением этих двух базовых схем[неавторитетный источник?

В нижеприведённых схемах в качестве ключа S

могут использоваться полевой транзистор, биполярный транзистор или тиристор, цепь управления ключом для простоты не показана. Отношение времени замкнутого состояния ключа к сумме длительностей замкнутого и разомкнутого состояний называют коэффициентом заполнения (или рабочим циклом — англ. duty cycle).

Преобразователь с понижением напряжения

Преобразователь с понижением напряжения Названия в англоязычной литературе — buck converter (step-down converter)

. Если ключS замкнут, то диодD закрыт, и через дроссельL течёт нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диодD , при этом величина тока уменьшается. При достаточной индуктивности ток дросселя не успевает уменьшиться до нуля к началу следующего цикла (режим неразрывных токов) и имеет пульсирующий характер. Поэтому даже при отсутствии конденсатораC напряжение на нагрузкеR будет иметь такой же характер с пульсациями, размах которых тем меньше, чем больше индуктивность дросселя. Однако, на практике увеличение индуктивности связано с увеличением габаритов, массы и стоимости дросселя и потерь мощности в нём, поэтому использование конденсатора для уменьшения пульсаций более эффективно. Сочетание элементовL иC в этой схеме часто называют фильтром.

Преобразователь с повышением напряжения

Преобразователь с повышением напряжения Названия в англоязычной литературе — boost converter (step-up converter)

. Если ключS замкнут, то диодD закрыт, и через дроссельL течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диодD и конденсаторC (заряжая его). К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузкеR напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора. В отличие от предыдущей схемы, здесь дроссель не является элементом фильтра. Напряжение на нагрузке всегда больше напряжения источника.

Инвертирующий преобразователь

Инвертирующий преобразователь Название в англоязычной литературе — buck-boost converter

(то есть «понижающе-повышающий преобразователь»). Основное отличие от предыдущей схемы состоит в том, что цепьD ,R ,C подключена параллельно дросселю, а не параллельно ключу. Принцип работы схемы похожий. Если ключS замкнут, то диодD закрыт, и через дроссельL течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через конденсаторC (заряжая его) и диодD . К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузкеR напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора (дроссель не является элементом фильтра). Напряжение на нагрузке может быть как больше, так и меньше напряжения источника.

Влияние диода на КПД

Прямое падение напряжения для обычных кремниевых диодов составляет около 0,7 В, для диодов Шоттки — около 0,4 В. Мощность, рассеиваемая в диоде при больших токах, существенно снижает КПД, особенно в стабилизаторах с низким выходным напряжением. Поэтому в таких стабилизаторах диод часто заменяют дополнительным полупроводниковым ключом с низким падением напряжения в открытом состоянии, например, силовым полевым транзистором.

Во всех трёх описанных схемах диод D

может быть заменён на дополнительный ключ, замыкаемый и размыкаемый в противофазе к основному ключу.

Понижающий стабилизатор

Стабилизаторы импульсного типа, функционирующие с понижением напряжения, являются компактными и мощными приборами питания электрическим током. При этом они имеют низкую чувствительность к наводкам потребителя постоянным напряжением одного значения. Гальваническая изоляция выхода и входа в понижающих устройствах отсутствует. Импортные приборы получили название chopper. Выходное питание в таких устройствах постоянно находится меньше входного напряжения. Схема импульсного стабилизатора понижающего типа изображена на рисунке.

Подключим напряжение для управления истоком и затвором транзистора, который войдет в положение насыщения. По нему будет проходить ток по цепи от положительного полюса по выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении ток по диоду не протекает.

Отключим управляющее напряжение, которое выключает ключевой транзистор. После этого он будет находиться в положении отсечки. ЭДС индукции выравнивающего дросселя будет преграждать путь для изменения тока, который пойдет по цепи через нагрузку от дросселя, по общему проводнику, диод, и опять придет на дроссель. Емкость С1 будет разряжаться и будет удерживать напряжение на выходе.

При подаче отпирающей разницы потенциалов между истоком и затвором транзистора, он перейдет в режим насыщения и вся цепочка вновь повторится.

Назначение и принцип работы

С помощью регуляторов напряжения можно изменять не только яркость свечения ламп накаливания, но и скорость вращение электромоторов, температуру жала паяльника и так далее. Нередко эти устройства называют регуляторами мощности, что не совсем правильно. Устройства, предназначенные для регулирования мощности, основаны на ШИМ (широтно-импульсная модуляция) схемах.

Это позволяет получить на выходе различную частоту следования импульсов, амплитуда которых остается неизменной. Однако если параллельно нагрузке в такую схему включить вольтметр, то напряжение также будет изменяться. Дело в том, что прибор просто не успевает точно измерять амплитуду импульсов.

Следует заметить, что регуляторы напряжения будут максимально эффективны при работе с резистивной нагрузкой, например, лампами накаливания. А вот использовать их для подключения к индуктивной нагрузке нецелесообразно. Дело в том, что показатель индуктивного электротока значительно ниже в сравнении с резистивным.

Собрать самодельный диммер довольно просто. Для этого потребуются начальные знания в области электроники и несколько деталей.

На основе симистора

Такой прибор работает по принципу фазового смещения открывания ключа. Ниже представлена простейшая схема диммера на основе симистора:

Структурно прибор можно разделить на два блока:

Силовой ключ, в роли которого используется симистор.
Узел создания управляющих импульсов на основе симметричного динистора.

С помощью резисторов R1-R2 создан делитель напряжения

Следует обратить внимание, что сопротивление R1 – переменное. Это позволяет менять напряжение в линии R2-C1. Между этими элементами включен динистор DB3

Как только показатель напряжения на конденсаторе C1 достигает значения порога открытия динистора, на ключ (симистор VS1) подается управляющий импульс

Между этими элементами включен динистор DB3. Как только показатель напряжения на конденсаторе C1 достигает значения порога открытия динистора, на ключ (симистор VS1) подается управляющий импульс.

На базе тиристора

Эти проборы также достаточно эффективны, а их схемы не отличаются высокой сложностью. Роль ключа в таком устройстве выполняет тиристор. Если внимательно изучить схему прибора, то сразу можно заметить главное отличие этой схемы от предыдущей – для каждой полуволны используется собственный ключ с управляющим динистором.

Принцип работы тиристорного прибора следующий:

Когда через линию R5-R4-R3 проходит положительная полуволна, конденсатор C1 заряжается.
После достижения порога включения динистора V3 он срабатывает, и электроток поступает на ключ V1.
При прохождении отрицательной полуволны наблюдается аналогичная ситуация для линии R1-R2-R5, управляющего динистора V4 и ключа V2.

Также в быту используются конденсаторные регуляторы. Однако в отличие от полупроводниковых приборов, они не позволяют плавно изменять напряжение. Таким образом, для самостоятельного изготовления лучше всего подходят тиристорная и симисторная схемы.

Найти все необходимые для изготовления регулятора детали не составит труда. При этом их не обязательно покупать, а можно выпаять из старого телевизора или другой радиоаппаратуры. При желании на основе выбранной схемы можно сделать печатную плату, а затем впаять в нее все элементы. Также детали можно соединить обычными проводами. Домашний мастер может выбрать тот способ, который покажется ему наиболее привлекательным.

Оба рассмотренных устройства довольно легко собрать, и для выполнения всех работ не нужно обладать серьезными знаниями в области электроники. Даже начинающий радиолюбитель сможет изготовить своими руками схему регулятора напряжения 220в. При невысокой стоимости, они практически ни в чем не уступают заводским аналогам.

О преимуществах и недостатках

Отвлечемся от конкретных конструкций, и неважно, что у нас есть: импульсный стабилизатор высокого напряжения или низкого, мы рассмотрим, что же они собой представляют в общих чертах с позиции сильных и слабых сторон. Итак, преимущества:

несложно достичь выравнивания;
компактные размеры;
широкий интервал для стабилизации;
высокий коэффициент полезного действия;
устойчивость выходного напряжения;
плавное подключение.

Увы, не обошлось без недостатков, среди них можно выделить следующие нюансы:

сложная конструкция;
наличие большого количества специфических компонентов, что негативно сказывается на надежности конструкции;
приборы сложно ремонтировать;
образовывается много помех для выбора необходимой частоты;
часто возникает потребность использовать компенсирующие устройства мощности.

Назначение стабилизатора

Основной функцией стабилизатора является выравнивание тока, независимо от перепадов напряжения в электрической сети. Всего существует два типа стабилизирующих устройств – линейные и импульсные. В первом случае осуществляется регулировка всех выходных параметров путем распределения мощности между нагрузкой и собственным сопротивлением.

Второй вариант значительно эффективнее, поскольку в этом случае на светодиоды поступает лишь необходимое количество мощности. Действие таких стабилизаторов основано на принципе широтно-импульсной модуляции.
У импульсных стабилизаторов более высокий коэффициент полезного действия, составляющий не менее 90%. Однако у них довольно сложная схема и соответственно высокая стоимость по сравнению с приборами линейного типа. Следует отметить, что использование стабилизаторов LM317 допустимо только для линейных схем. Они не могут включаться в цепи с большими значениями токов. Именно поэтому данные устройства наилучшим образом подходят для совместного использования со светодиодами.

Необходимость использования стабилизаторов объясняется особенностями параметров светодиодов. Они отличаются нелинейной вольтамперной характеристикой, когда изменение напряжения на светодиоде приводит к непропорциональному изменению тока. С увеличением напряжения, возрастание тока в самом начале происходит очень медленно, поэтому свечения не наблюдается. Далее, когда напряжение достигает порогового значения, начинается излучение света с одновременным быстрым возрастанием тока. Если напряжение продолжает увеличиваться, в этом случае происходит еще большее возрастание тока, что приводит к сгоранию светодиода.

Характеристики светодиодов отражают значение порогового напряжения в виде прямого напряжения при номинальном токе. Показатель номинального тока для большинства светодиодов малой мощности составляет 20 мА. Мощные светодиоды требуют более высокого номинального тока, достигающего 350 мА и выше. Они выделяют большое количество тепла и устанавливаются на специальные теплоотводы.

Для того чтобы обеспечить нормальную работу светодиодов, питание к ним должно подключаться через стабилизатор тока. Это связано с разбросом порогового напряжения. То есть, различные типы светодиодов отличаются разным прямым напряжением. Даже у однотипных ламп может быть не одинаковое прямое напряжение, причем не только его минимальное, но и максимальное значение.

Таким образом, если подключить параллельно два светодиода к одному и тому же источнику, то они будут пропускать через себя совершенно разный ток. Различие токов приводит к преждевременному выходу их из строя или мгновенному перегоранию. Чтобы избежать подобных ситуаций, светодиоды рекомендуется включать совместно со стабилизирующими устройствами, предназначенные для выравнивания тока и доведения его до определенной, заданной величины.

Оценка подавления высоких частот в линейном стабилизаторе

Описанное устройство (рис. 5) упрощает оценку подавления высоких частот в линейном стабилизаторе. Осциллограмма B (рис. 7) показывает реакцию стабилизатора LT1763 3V (рис. 5) на пульсации или выбросы с осциллограммы A при входной емкости 1 мкФ и выходной емкости 10 мкФ. Пульсации на выходе стабилизатора ослаблены примерно в 20 раз. Выбросы на выходе до некоторой степени ослаблены, но их гармонический состав остается значительным. Стабилизатор не увеличивает время нарастания выбросов. Эту работу должен выполнять конденсатор. К сожалению, неотъемлемые высокочастотные потери не позволяют конденсатору фильтровать широкополосные выбросы. На осциллограмме B видно, что время нарастания выбросов не изменяется. Увеличение емкости конденсатора на него не влияет. Содержимое осциллограмм на рис. 8 аналогично рис. 7, но емкость выходного конденсатора составляет 33 мкФ. Это дает пятикратное ослабление пульсаций, но почти не влияет на амплитуду выбросов.

Рис. 7. Пульсации на входе (осциллограмма А) и выходе (осциллограмма В) линейного стабилизатора и размер выбросов от переключений

Рис. 8. Осциллограммы, аналогичные рис. 7, но при условии, что входная емкость равна 1 мкФ, а выходная — 33 мкФ

Рис. 9 представляет собой растянутую по времени и амплитуде осциллограмму B с рис. 8. Он позволяет подробно изучить характеристики выбросов для их исследования и оптимизации. На рис. 10 показано влияние ферритовой бусины, установленной непосредственно перед входным конденсатором. Амплитуда выбросов падает примерно в пять раз. Бусина обеспечивает ослабление на высокой частоте, значительно ограничивая прохождение выбросов. Постоянная составляющая и низкочастотные составляющие на входе стабилизатора не изменяются. На рис. 11 приводится результат установки второй ферритовой бусины на выходе стабилизатора перед выходным конденсатором. Благодаря высокочастотным характеристикам бусины ослабление выбросов ниже 1 мВ без влияния на постоянную составляющую на выходе стабилизатора. Иногда можно использовать вместо бусины катушку индуктивности, но при этом нужно учитывать присущие ей ограничения (см. врезку «Использование катушек индуктивности в качестве высокочастотных фильтров»).

Рис. 12 представляет собой версию рис. 11 при увеличенном усилении. Амплитуда выбросов составляет 900 мкВ — почти в 20 раз меньше, чем без ферритовых бусин. Для проведения измерений необходимо убедиться, что синфазная составляющая или «земляные» контуры не влияют на результат. Для этого щуп осциллографа заземляется вблизи точки измерения. На рис. 13 видно практическое отсутствие сигнала, имеющегося на рис. 12. Точные широкополосные измерения при субмилливольтовых сигналах требуют выполнения специальных условий (см. врезку «Техника измерений субмилливольтовых широкополосных сигналов», а также ).

Импульсный стабилизатор напряжения с триггером шмитта и шим