Stabilizator de tensiune pe controlerul PWM. Stabilizator de tensiune de comutare cu PWM. Regulatoare de tensiune de comutare bazate pe IC TL494

În acest articol veți afla despre:

Fiecare dintre noi folosește un număr mare de aparate electrice diferite în viața noastră. Un număr foarte mare dintre ele necesită energie de joasă tensiune. Cu alte cuvinte, consumă energie electrică, care nu se caracterizează printr-o tensiune de 220 de volți, ci ar trebui să aibă de la unu la 25 de volți.

Desigur, se folosesc dispozitive speciale pentru a furniza energie electrică cu un astfel de număr de volți. Problema nu se pune însă în scăderea tensiunii, ci în menținerea nivelului stabil al acesteia.

Pentru a face acest lucru, puteți utiliza dispozitive de stabilizare liniară. Cu toate acestea, o astfel de soluție va fi o plăcere foarte greoaie. Această sarcină va fi îndeplinită în mod ideal de orice stabilizator de tensiune de comutare.

Stabilizator de puls dezasamblat

Dacă comparăm dispozitivele de stabilizare cu impuls și liniar, principala lor diferență constă în funcționarea elementului de control. În primul tip de dispozitive, acest element funcționează ca o cheie. Cu alte cuvinte, este fie în stare închisă, fie în stare deschisă.

Elementele principale ale dispozitivelor de stabilizare a impulsurilor sunt elementele de reglare și integrare. Prima asigura alimentarea si intreruperea curentului electric. Sarcina celui de-al doilea este să acumuleze electricitate și să o elibereze treptat la sarcină.

Principiul de funcționare al convertoarelor de impulsuri

Principiul de funcționare al unui stabilizator de impulsuri

Principiul principal de funcționare este că atunci când elementul de reglare este închis, în elementul de integrare se acumulează energie electrică. Această acumulare se observă prin creșterea tensiunii. După ce elementul de control este oprit, de ex. deschide linia de alimentare cu energie electrică, componenta integratoare eliberează energie electrică, reducând treptat tensiunea. Datorită acestei metode de funcționare, dispozitivul de stabilizare a pulsului nu consumă o cantitate mare de energie și poate avea dimensiuni reduse.

Elementul de reglare poate fi un tiristor, un tranzistor bipolar sau un tranzistor cu efect de câmp. Ca elemente integratoare pot fi folosite bobine, baterii sau condensatori.

Rețineți că dispozitivele de stabilizare a pulsului pot funcționa în două moduri diferite. Primul implică utilizarea modulării lățimii impulsului (PWM). Al doilea este un declanșator Schmitt. Atât declanșatorul PWM, cât și Schmitt sunt utilizate pentru a controla comutatoarele dispozitivului de stabilizare.

Stabilizator folosind PWM

Un stabilizator de tensiune DC de comutare, care funcționează pe baza PWM, pe lângă comutator și integrator, conține:

generator;
amplificator operațional;
modulator

Funcționarea comutatorului depinde direct de nivelul tensiunii de intrare și de ciclul de lucru al impulsurilor. Ultima caracteristică este influențată de frecvența generatorului și de capacitatea integratorului. Când întrerupătorul se deschide, începe procesul de transfer a energiei electrice de la integrator la sarcină.

Schema schematică a unui stabilizator PWM

În acest caz, amplificatorul operațional compară nivelurile tensiunii de ieșire și ale tensiunii de referință, determină diferența și transmite câștigul necesar către modulator. Acest modulator convertește impulsurile produse de generator în impulsuri dreptunghiulare.

Impulsurile finale sunt caracterizate de aceeași abatere a ciclului de lucru, care este proporțională cu diferența dintre tensiunea de ieșire și tensiunea de referință. Aceste impulsuri determină comportamentul cheii.

Adică, la un anumit ciclu de funcționare, întrerupătorul se poate închide sau deschide. Se pare că impulsurile joacă rolul principal în acești stabilizatori. De aici provine de fapt numele acestor dispozitive.

Convertor de declanșare Schmitt

Acele dispozitive de stabilizare a pulsului care folosesc un declanșator Schmitt nu mai au un număr atât de mare de componente ca în tipul anterior de dispozitiv. Aici elementul principal este declanșatorul Schmitt, care include un comparator. Sarcina comparatorului este de a compara nivelul de tensiune la ieșire și nivelul maxim admisibil al acestuia.

Stabilizator cu declanșare Schmitt

Când tensiunea de ieșire a depășit nivelul maxim, declanșatorul comută în poziția zero și deschide comutatorul. În acest moment, inductorul sau condensatorul este descărcat. Desigur, caracteristicile curentului electric sunt monitorizate constant de către comparatorul menționat anterior.

Și apoi, când tensiunea scade sub nivelul necesar, faza „0” se schimbă în faza „1”. Apoi, cheia se închide și curentul electric curge în integrator.

Avantajul unui astfel de stabilizator de tensiune de impuls este că circuitul și designul său sunt destul de simple. Cu toate acestea, nu poate fi aplicat în toate cazurile.

Este de remarcat faptul că dispozitivele de stabilizare a pulsului pot funcționa numai în anumite direcții. Ceea ce vrem să spunem aici este că ele pot fi fie pur în jos, fie pur în sus. Există, de asemenea, încă două tipuri de astfel de dispozitive, și anume inversoare și dispozitive care pot schimba în mod arbitrar tensiunea.

Schema unui dispozitiv de stabilizare a pulsului reducător

În viitor, vom lua în considerare circuitul unui dispozitiv de stabilizare a impulsului reducător. Se compune din:

Tranzistor de reglare sau orice alt tip de comutator.
Inductori.
Condensator.
Dioda.
Încărcături.
Dispozitive de control.

Unitatea în care se va acumula alimentarea cu energie electrică este formată din bobina propriu-zisă (inductor) și un condensator.

În timp ce comutatorul (în cazul nostru, tranzistorul) este conectat, curentul curge către bobină și condensator. Dioda este în stare închisă. Adică nu poate trece curentul.

Energia inițială este monitorizată de un dispozitiv de control, care la momentul potrivit oprește cheia, adică o pune în starea de întrerupere. Când comutatorul este în această stare, există o scădere a curentului care trece prin inductor.

Stabilizator de puls Buck

În acest caz, direcția tensiunii în inductor se schimbă și, ca urmare, curentul primește o tensiune, a cărei valoare este diferența dintre forța electromotoare a autoinducției bobinei și numărul de volți la Intrarea. În acest moment, dioda se deschide și inductorul furnizează curent sarcinii prin ea.

Când alimentarea cu energie electrică este epuizată, cheia este conectată, dioda este închisă și inductorul este încărcat. Adică totul se repetă.
Un stabilizator de tensiune de comutare crescător funcționează în același mod ca un regulator de tensiune descendent. Un dispozitiv de stabilizare cu inversare este caracterizat de un algoritm de operare similar. Desigur, munca lui are diferențele sale.

Principala diferență dintre un dispozitiv de impuls de impuls este că tensiunea de intrare și tensiunea bobinei au aceeași direcție. Ca urmare, ele sunt rezumate. În stabilizatorul de impuls, este plasat mai întâi un șoc, apoi un tranzistor și o diodă.

Într-un dispozitiv de stabilizare inversabilă, direcția EMF de auto-inducție a bobinei este aceeași ca și într-un dispozitiv de coborâre. În timp ce comutatorul este conectat și dioda se închide, condensatorul furnizează energie. Oricare dintre aceste dispozitive poate fi asamblat cu propriile mâini.

Sfat util: în loc de diode, puteți utiliza și comutatoare (tiristor sau tranzistor). Cu toate acestea, trebuie să efectueze operațiuni care sunt opusul cheii primare. Cu alte cuvinte, atunci când cheia principală se închide, cheia ar trebui să se deschidă în locul diodei. Si invers.

Pe baza structurii definite mai sus a stabilizatorilor de tensiune cu reglare a impulsului, este posibil să se determine acele caracteristici care sunt considerate avantaje și care sunt dezavantaje.

Avantaje

Avantajele acestor dispozitive sunt:

Este destul de ușor de realizat o astfel de stabilizare, care se caracterizează printr-un coeficient foarte ridicat.
Eficiență la nivel înalt. Datorită faptului că tranzistorul funcționează într-un algoritm de comutare, are loc o disipare de putere scăzută. Această disipare este semnificativ mai mică decât în dispozitivele de stabilizare liniară.
Capacitatea de a egaliza tensiunea, care la intrare poate fluctua într-un interval foarte larg. Dacă curentul este constant, atunci acest interval poate fi de la unu la 75 volți. Dacă curentul este alternativ, atunci acest interval poate fluctua între 90-260 volți.
Lipsa sensibilității la frecvența tensiunii de intrare și la calitatea sursei de alimentare.
Parametrii finali de ieșire sunt destul de stabili chiar dacă apar modificări foarte mari ale curentului.
Ondularea de tensiune care iese dintr-un dispozitiv cu impulsuri este întotdeauna în intervalul de milivolti și nu depinde de puterea aparatelor electrice conectate sau de elementele acestora.
Stabilizatorul pornește întotdeauna încet. Aceasta înseamnă că curentul de ieșire nu este caracterizat de salturi. Deși trebuie menționat că atunci când este pornit pentru prima dată, creșterea curentului este mare. Cu toate acestea, pentru a nivela acest fenomen, se folosesc termistori care au un TCR negativ.
Valori mici de masă și dimensiune.

Defecte

Dacă vorbim despre dezavantajele acestor dispozitive de stabilizare, ele se află în complexitatea dispozitivului. Datorită numărului mare de componente diferite care se pot defecta destul de repede și a metodei specifice de funcționare, dispozitivul nu se poate lăuda cu un nivel ridicat de fiabilitate.
Se confruntă constant cu tensiune înaltă. În timpul funcționării, comutarea are loc frecvent și se observă condiții dificile de temperatură pentru cristalul diodei. Acest lucru afectează în mod clar adecvarea pentru rectificarea curentă.
Comutarea frecventă a comutatoarelor creează interferențe de frecvență. Numărul lor este foarte mare și acesta este un factor negativ.

Sfat util: pentru a elimina acest neajuns, trebuie să utilizați filtre speciale.

Sunt instalate atat la intrare cat si la iesire.In cazul in care trebuie facute reparatii sunt insotite si de dificultati. Este demn de remarcat aici că un non-specialist nu va putea remedia defecțiunea.
Lucrările de reparații pot fi efectuate de cineva care cunoaște bine astfel de convertoare de curent și are numărul necesar de abilități. Cu alte cuvinte, dacă un astfel de dispozitiv se arde și utilizatorul său nu are cunoștințe despre caracteristicile dispozitivului, atunci este mai bine să-l duceți la companii specializate pentru reparații.
De asemenea, este dificil pentru nespecialiști să configureze stabilizatoare de tensiune de comutare, care pot include 12 volți sau un alt număr de volți.
Dacă un tiristor sau orice alt comutator se defectează, pot apărea consecințe foarte complexe la ieșire.
Dezavantajele includ necesitatea de a folosi dispozitive care vor compensa factorul de putere. De asemenea, unii experți notează că astfel de dispozitive de stabilizare sunt scumpe și nu se pot lăuda cu un număr mare de modele.

Domenii de aplicare

Dar, în ciuda acestui fapt, astfel de stabilizatori pot fi utilizați în multe domenii. Cu toate acestea, ele sunt cele mai utilizate în echipamentele de radionavigație și electronice.

În plus, acestea sunt adesea folosite pentru televizoare LCD și monitoare LCD, surse de alimentare pentru sisteme digitale, precum și pentru echipamente industriale care necesită curent de joasă tensiune.

Sfat util: dispozitivele de stabilizare a impulsurilor sunt adesea folosite în rețelele de curent alternativ. Dispozitivele în sine convertesc un astfel de curent în curent continuu și, dacă trebuie să conectați utilizatorii care au nevoie de curent alternativ, atunci trebuie să conectați un filtru de netezire și un redresor la intrare.

Este de remarcat faptul că orice dispozitiv de joasă tensiune necesită utilizarea unor astfel de stabilizatori. De asemenea, pot fi folosite pentru a încărca direct diverse baterii și pentru a alimenta LED-uri de mare putere.

Aspect

După cum sa menționat mai sus, convertoarele de curent de tip impuls sunt caracterizate prin dimensiuni mici. În funcție de gama de volți de intrare pentru care sunt proiectați, dimensiunea și aspectul lor depind.

Dacă sunt proiectate să funcționeze cu tensiuni de intrare foarte scăzute, acestea pot consta într-o cutie mică de plastic din care se extind un anumit număr de fire.

Stabilizatorii, proiectați pentru un număr mare de volți de intrare, sunt un microcircuit în care sunt amplasate toate firele și la care sunt conectate toate componentele. Ai aflat deja despre ei.

Aspectul acestor dispozitive de stabilizare depinde și de scopul lor funcțional. Dacă oferă o ieșire de tensiune reglată (alternantă), atunci divizorul de rezistență este plasat în afara circuitului integrat. În cazul în care un număr fix de volți iese din dispozitiv, atunci acest divizor este deja amplasat în microcircuitul însuși.

Caracteristici importante

Atunci când selectați un stabilizator de tensiune de comutare care poate produce 5V constant sau un alt număr de volți, acordați atenție unui număr de caracteristici.

Prima și cea mai importantă caracteristică sunt valorile minime și maxime ale tensiunii care vor fi incluse în stabilizatorul în sine. Limitele superioare și inferioare ale acestei caracteristici au fost deja notate.

Al doilea parametru important este cel mai mare nivel al curentului de ieșire.

A treia caracteristică importantă este nivelul tensiunii nominale de ieșire. Cu alte cuvinte, spectrul de cantități în care poate fi găsit. Este demn de remarcat faptul că mulți experți susțin că tensiunile maxime de intrare și ieșire sunt egale.

Cu toate acestea, în realitate, acesta nu este cazul. Motivul pentru aceasta este că volții de intrare sunt redusi la tranzistorul comutator. Rezultatul este un număr puțin mai mic de volți la ieșire. Egalitatea poate apărea numai atunci când curentul de sarcină este foarte mic. Același lucru este valabil și pentru valorile minime.

O caracteristică importantă a oricărui convertor de impulsuri este precizia tensiunii de ieșire.

Sfat util: ar trebui să acordați atenție acestui indicator atunci când dispozitivul de stabilizare oferă o ieșire de un număr fix de volți.

Motivul pentru aceasta este că rezistența este situată în mijlocul convertorului și funcționarea sa exactă este determinată în producție. Când numărul de volți de ieșire este ajustat de către utilizator, precizia este, de asemenea, ajustată.

În prezent, pe piață sunt reprezentate pe scară largă microcircuite (interne și importate), care implementează un set diferit de funcții de control PWM pentru comutarea surselor de alimentare. Printre microcircuite de acest tip, KR1114EU4 (producător: Kremniy-Marketing JSC, Rusia) este destul de popular. Analogul său importat este TL494CN (Texas Instrument). În plus, este produs de un număr de companii sub diferite denumiri. De exemplu, (Japonia) produce microcircuitul IR3M02, (Coreea) - KA7500, f. Fujitsu (Japonia) МВ3759.

Cipul KR1114EU4 (TL494) este un controler PWM pentru o sursă de alimentare comutată care funcționează la o frecvență fixă. Structura microcircuitului este prezentată în Fig. 1.

Pe baza acestui microcircuit, este posibil să se dezvolte circuite de control pentru surse de alimentare cu comutare push-pull și cu un singur ciclu. Microcircuitul implementează un set complet de funcții de control PWM: generarea unei tensiuni de referință, amplificarea unui semnal de eroare, generarea unei tensiuni dinți de ferăstrău, modularea PWM, generarea unei ieșiri în 2 cicluri, protecție împotriva curenților de trecere etc. Este produs. într-un pachet cu 16 pini, pinout-ul este prezentat în Fig. 2.

Generatorul de tensiune în rampă încorporat necesită doar două componente externe pentru a seta frecvența - Rt și Ct. Frecvența generatorului este determinată de formula:

Pentru a opri generatorul de la distanță, puteți utiliza o cheie externă pentru a scurtcircuita intrarea RT (pin 6) la ieșirea ION (pin 14) sau pentru a scurtcircuita intrarea ST (pin 5) la firul comun.

Cipul are o sursă de tensiune de referință încorporată (Uref = 5,0 V), capabilă să furnizeze un flux de curent de până la 10 mA pentru a polariza componentele externe ale circuitului. Tensiunea de referință are o eroare de 5% în intervalul de temperatură de funcționare de la 0 la +70°C.

Schema bloc a unui stabilizator descendente cu impulsuri este prezentată în Fig. 3.

Elementul de reglare RE transformă tensiunea continuă de intrare UBX într-o secvență de impulsuri de o anumită durată și frecvență, iar filtrul de netezire (choke L1 și condensatorul C1 le transformă din nou într-o tensiune constantă de ieșire. Dioda VD1 închide circuitul de curent prin inductor). când RE este oprit.Folosind feedback, circuitul de control al sistemului de control controlează elementul de reglare în așa fel încât să se obțină stabilitatea rezultată a tensiunii de ieșire Un.

Stabilizatorii, în funcție de metoda de stabilizare, pot fi cu releu, modulați în frecvență de impuls (PFM) și modulați în lățime a impulsului (PWM). În stabilizatoarele cu PWM, frecvența pulsului (perioada) este o valoare constantă, iar durata lor este invers proporțională cu valoarea tensiunii de ieșire. Figura 4 prezintă impulsuri cu diferite cicluri de lucru Ks.

Stabilizatorii PWM au următoarele avantaje în comparație cu alte tipuri de stabilizatori:

frecvența de conversie este optimă (din punct de vedere al eficienței), determinată de oscilatorul intern al circuitului de control și nu depinde de alți factori;
frecvența de pulsație la sarcină este o valoare constantă, care este convenabilă pentru construirea filtrelor de suprimare;
Este posibil să se sincronizeze frecvențele de conversie ale unui număr nelimitat de stabilizatori, ceea ce elimină apariția bătăilor atunci când mai mulți stabilizatori sunt alimentați de la o sursă primară comună de curent continuu.

Singura diferență este că circuitele PWM au un circuit de control relativ complex. Dar dezvoltarea circuitelor integrate de tip KR1114EU4, care conțin în interior majoritatea unităților de control cu PWM, face posibilă simplificarea semnificativă a stabilizatorilor de impulsuri.

Circuitul unui stabilizator descendente cu impulsuri bazat pe KR1114EU4 este prezentat în Fig. 5.

Tensiunea maximă de intrare a stabilizatorului este de 30 V, este limitată de tensiunea maximă admisă a sursei de scurgere a tranzistorului cu efect de câmp cu canal p VT1 (RFP60P03). Rezistorul R3 și condensatorul C5 stabilesc frecvența generatorului de tensiune din dinți de ferăstrău, care este determinată de formula (1). De la sursa de tensiune de referință (pin 14) D1, printr-un divizor rezistiv R6-R7, o parte din tensiunea de referință este furnizată la intrarea inversoare a primului amplificator de eroare (pin 2). Semnalul de feedback prin divizorul R8-R9 este alimentat la intrarea neinversoare a primului amplificator de eroare (pin 1) al microcircuitului. Tensiunea de ieșire este reglată de rezistența R7. Rezistorul R5 și condensatorul C6 efectuează corecția de frecvență a primului amplificator.

Trebuie remarcat faptul că driverele de ieșire independente ale microcircuitului asigură funcționarea etajului de ieșire atât în modul push-pull, cât și în modul unic. În stabilizator, driverul de ieșire al microcircuitului este pornit în modul cu un singur ciclu. Pentru a face acest lucru, pinul 13 este conectat la firul comun. Două tranzistoare de ieșire (colectorii lor sunt pinii 8, 11, emițătorii sunt pinii 9, 10) sunt conectate conform unui circuit emițător comun și funcționează în paralel. În acest caz, frecvența de ieșire este egală cu frecvența generatorului. Etapa de ieșire a microcircuitului printr-un divizor rezistiv

R1-R2 controlează elementul regulator - tranzistorul cu efect de câmp VT1. Pentru o funcționare mai stabilă a stabilizatorului pe sursa de alimentare a microcircuitului (pin 12), este inclus filtrul LC L1-C2-C3. După cum se poate vedea din diagramă, atunci când utilizați KR1114EU4 este necesar un număr relativ mic de elemente externe. A fost posibilă reducerea pierderilor de comutare și creșterea eficienței stabilizatorului datorită utilizării unei diode Schottky (VD2) KD2998B (Unp=0,54 V, Uarb=30 V, lpr=30 A, fmax=200 kHz).

Pentru a proteja stabilizatorul de supracurent, se folosește o siguranță cu autorestaurare FU1 MF-R400. Principiul de funcționare al unor astfel de siguranțe se bazează pe proprietatea de a le crește brusc rezistența sub influența unei anumite valori de curent sau a temperaturii ambientale și de a le restabili automat proprietățile atunci când aceste cauze sunt eliminate.

Stabilizatorul are eficiență maximă (aproximativ 90%) la o frecvență de 12 kHz, iar eficiența la puterea de ieșire de până la 10 W (Uout = 10 V) ajunge la 93%.

Detalii si design. Rezistoarele fixe sunt de tip S2-ZZN, cele variabile sunt SP5-3 sau SP5-2VA. Condensatoare C1 C3, C5-K50-35; C4, C6, C7 -K10-17. Dioda VD2 poate fi înlocuită cu orice altă diodă Schottky cu parametri nu mai răi decât cei de mai sus, de exemplu, 20TQ045. Cipul KR1114EU4 este înlocuit cu TL494LN sau TL494CN. Choke L1 - DM-0,1-80 (0,1 A, 80 uH). Inductorul L2 cu o inductanță de aproximativ 220 μH este realizat pe două miezuri magnetice inelare pliate împreună. MP-140 K24x13x6,5 și conține 45 de spire de sârmă PETV-2 de 01,1 mm, așezate uniform în două straturi în jurul întregului perimetru al inelului. Între straturi există două straturi de material lăcuit. LShMS-105-0,06 GOST 2214-78. Siguranța cu resetare automată tip MF-RXXX poate fi selectată pentru fiecare caz specific.

Stabilizatorul este realizat pe o placă de 55x55 mm. Tranzistorul este instalat pe un radiator cu o suprafață de cel puțin 110 cm2. În timpul instalării, este recomandabil să separați firul comun al părții de putere și firul comun al microcircuitului, precum și să minimizați lungimea conductorilor (în special partea de putere). Stabilizatorul nu necesită reglare dacă este instalat corect.

Costul total al elementelor radio stabilizatoare achiziționate a fost de aproximativ 10 USD, iar costul tranzistorului VT1 a fost de 3...4 USD. Pentru a reduce costul, în locul tranzistorului RFP60P03, puteți folosi RFP10P03 mai ieftin, dar, desigur, acest lucru va înrăutăți oarecum caracteristicile tehnice ale stabilizatorului.

Schema bloc a unui stabilizator paralel cu impulsuri de tip boost este prezentată în Fig. 6.

În acest stabilizator, elementul de reglare RE, care funcționează în regim de impuls, este conectat în paralel cu sarcina Rh. Când RE este deschis, curentul de la sursa de intrare (Ubx) trece prin inductorul L1, stochând energie în acesta. În același timp, dioda VD1 oprește sarcina și nu permite condensatorului C1 să se descarce prin RE deschis. Curentul la sarcină în această perioadă de timp provine numai de la condensatorul C1. În momentul următor, când RE este închis, f.e.m. de auto-inducție a inductorului L1 este însumată cu tensiunea de intrare, iar energia inductorului este transferată. la sarcină. În acest caz, tensiunea de ieșire va fi mai mare decât tensiunea de intrare. Spre deosebire de stabilizatorul coborât (Fig. 1), aici inductorul nu este un element de filtru, iar tensiunea de ieșire devine mai mare decât tensiunea de intrare cu o valoare determinată de inductanța inductorului L1 și de ciclul de lucru al element de control RE.

Diagrama schematică a unui stabilizator de impuls de impuls este prezentată în Fig. 7.

Folosește practic aceleași componente electronice ca și în circuitul stabilizator descendente (Fig. 5).

Ondularea poate fi redusă prin creșterea capacității filtrului de ieșire. Pentru o pornire „mai ușoară”, condensatorul C9 este conectat între firul comun și intrarea neinversoare a primului amplificator de eroare (pin 1).

Rezistoare fixe - S2-ZZN, rezistențe variabile - SP5-3 sau SP5-2VA.

Condensatoare C1 C3, C5, C6, C9 - K50-35; C4, C7, C8 - K10-17. Tranzistorul VT1 - IRF540 (tranzistor cu efect de câmp cu canale n cu Uсi=100 V, lc=28 A, Rсi=0,077 Ohm) - este instalat pe un radiator cu o suprafață efectivă de cel puțin 100 cm2. Accelerația L2 este aceeași ca în circuitul anterior.

Este mai bine să porniți stabilizatorul pentru prima dată cu o sarcină mică (0,1...0,2 A) și o tensiune de ieșire minimă. Apoi creșteți încet tensiunea de ieșire și curentul de încărcare până la valorile maxime.

Dacă stabilizatorii crescător și coborâtor funcționează de la aceeași tensiune de intrare Uin, atunci frecvența lor de conversie poate fi sincronizată. Pentru a face acest lucru (dacă stabilizatorul buck este maestru și stabilizatorul step-up este slave) în stabilizatorul step-up trebuie să îndepărtați rezistorul R3 și condensatorul C7, închideți pinii 6 și 14 ai cipului D1 și conectați pinul. 5 din D1 la pinul 5 al cipului D1 al stabilizatorului step-down.

Într-un stabilizator de tip boost, inductorul L2 nu participă la netezirea ondulației tensiunii continue de ieșire, prin urmare, pentru filtrarea de înaltă calitate a tensiunii de ieșire, este necesar să se utilizeze filtre cu valori suficient de mari ale lui L și C. Acest lucru, în consecință, duce la o creștere a greutății și dimensiunilor filtrului și a dispozitivului în ansamblu. Prin urmare, densitatea de putere a unui stabilizator step-down este mai mare decât cea a unui stabilizator step-up.

Stabilizatorii liniari au un dezavantaj comun - eficiență scăzută și generare mare de căldură. Dispozitivele puternice care creează curent de sarcină pe o gamă largă au dimensiuni și greutate semnificative. Pentru a compensa aceste neajunsuri, au fost dezvoltați și utilizați stabilizatori de puls.

Un dispozitiv care menține o tensiune constantă la un consumator de curent prin reglarea unui element electronic care funcționează în modul cheie. Un stabilizator de tensiune de comutare, la fel ca unul liniar, există în serie și paralele. Rolul cheii în astfel de modele este jucat de tranzistori.

Deoarece punctul efectiv al dispozitivului de stabilizare este situat aproape constant în regiunea de tăiere sau de saturație, trecând prin regiunea activă, se generează puțină căldură în tranzistor, prin urmare, stabilizatorul de impuls are o eficiență ridicată.

Stabilizarea se realizează prin modificarea duratei impulsurilor, precum și prin controlul frecvenței acestora. Ca urmare, se face o distincție între reglarea frecvenței impulsurilor și, cu alte cuvinte, reglarea lățimii. Stabilizatorii de impulsuri funcționează într-un mod de impuls combinat.

În dispozitivele de stabilizare cu control al lățimii impulsului, frecvența pulsului are o valoare constantă, iar durata impulsurilor este o valoare variabilă. În dispozitivele cu control al frecvenței pulsului, durata impulsurilor nu se modifică, se modifică doar frecvența.

La ieșirea dispozitivului, tensiunea este prezentată sub formă de ondulații; prin urmare, nu este potrivită pentru alimentarea consumatorului. Înainte de a furniza energie la sarcina consumatorului, aceasta trebuie egalizată. Pentru a face acest lucru, filtrele capacitive de nivelare sunt montate la ieșirea stabilizatorilor de impulsuri. Ele vin în multi-link, în formă de L și altele.

Tensiunea medie aplicată sarcinii se calculează prin formula:

Ti este durata perioadei.
ti – durata pulsului.
Rн – valoarea rezistenței consumatorului, Ohm.
I(t) – valoarea curentului care trece prin sarcină, amperi.

Curentul poate înceta să curgă prin filtru la începutul următorului impuls, în funcție de inductanță. În acest caz vorbim despre modul de funcționare cu curent alternativ. De asemenea, curentul poate continua să curgă, ceea ce înseamnă funcționare cu curent continuu.

Cu o sensibilitate crescută a sarcinii la impulsurile de putere, se realizează modul DC, în ciuda pierderilor semnificative ale înfășurării și firelor inductorului. Dacă mărimea impulsurilor la ieșirea dispozitivului este nesemnificativă, atunci se recomandă funcționarea cu curent alternativ.

Principiul de funcționare

În general, un stabilizator de impulsuri include un convertor de impulsuri cu un dispozitiv de reglare, un generator, un filtru de egalizare care reduce impulsurile de tensiune la ieșire și un dispozitiv de comparare care furnizează un semnal al diferenței dintre tensiunile de intrare și de ieșire.

O diagramă a părților principale ale stabilizatorului de tensiune este prezentată în figură.

Tensiunea la ieșirea dispozitivului este furnizată unui dispozitiv de comparare cu tensiunea de bază. Rezultatul este un semnal proporțional. Este furnizat generatorului, amplificandu-l anterior.

Când este controlat într-un generator, diferența de semnal analogic este modificat într-o ondulație cu o frecvență constantă și durată variabilă. Cu controlul frecvenței impulsurilor, durata impulsurilor are o valoare constantă. Schimbă frecvența impulsurilor generatorului în funcție de proprietățile semnalului.

Impulsurile de control generate de generator trec la elementele convertorului. Tranzistorul de control funcționează în modul cheie. Prin modificarea frecvenței sau intervalului impulsurilor generatorului, este posibilă modificarea tensiunii de sarcină. Convertorul modifică valoarea tensiunii de ieșire în funcție de proprietățile impulsurilor de control. Conform teoriei, în dispozitivele cu reglare în frecvență și lățime, impulsurile de tensiune la consumator pot fi absente.

Cu principiul de funcționare a releului, semnalul, care este controlat de stabilizator, este generat folosind un declanșator. Când tensiune constantă intră în dispozitiv, tranzistorul, care acționează ca un comutator, este deschis și crește tensiunea de ieșire. dispozitivul de comparare determină semnalul de diferență, care, după ce a atins o anumită limită superioară, schimbă starea declanșatorului, iar tranzistorul de comandă comută pe oprire.

Tensiunea de ieșire va începe să scadă. Când tensiunea scade la limita inferioară, dispozitivul de comparare determină diferența de semnal, comutând din nou declanșatorul, iar tranzistorul va intra din nou în saturație. Diferența de potențial în sarcina dispozitivului va crește. În consecință, cu un tip de stabilizare cu releu, tensiunea de ieșire crește, egalând-o astfel. Limita de declanșare este ajustată prin ajustarea amplitudinii valorii tensiunii pe dispozitivul de comparare.

Stabilizatoarele de tip releu au o viteză de răspuns crescută, spre deosebire de dispozitivele cu control al frecvenței și lățimii. Acesta este avantajul lor. În teorie, cu un tip de releu de stabilizare, vor exista întotdeauna impulsuri la ieșirea dispozitivului. Acesta este dezavantajul lor.

Boost stabilizator

Regulatoarele de amplificare cu comutare sunt utilizate cu sarcini a căror diferență de potențial este mai mare decât tensiunea la intrarea dispozitivelor. Stabilizatorul nu are izolație galvanică între alimentare și sarcină. Stabilizatorii de impuls importați sunt numiți convertoare de impuls. Principalele părți ale unui astfel de dispozitiv:

Tranzistorul intră în saturație, iar curentul trece prin circuit de la polul pozitiv prin inductorul de stocare, tranzistorul. În acest caz, energia se acumulează în câmpul magnetic al inductorului. Curentul de sarcină poate fi creat numai printr-o descărcare a capacității C1.

Să oprim tensiunea de comutare de la tranzistor. În același timp, va intra în poziția de întrerupere și, prin urmare, va apărea un EMF de auto-inducție pe accelerație. Acesta va fi comutat în serie cu tensiunea de intrare și conectat printr-o diodă la consumator. Curentul va curge prin circuit de la polul pozitiv la inductor, prin diodă și sarcină.

În acest moment, câmpul magnetic al șoculului inductiv furnizează energie, iar capacitatea C1 își rezervă energie pentru a menține tensiunea la consumator după ce tranzistorul intră în modul de saturație. Choke-ul este pentru rezerva de energie si nu functioneaza in filtrul de putere. Când tensiunea este aplicată din nou la tranzistor, acesta se va deschide și întregul proces va începe din nou.

Stabilizatoare cu declanșare Schmitt

Acest tip de dispozitiv cu impulsuri are propriile sale caracteristici cu cel mai mic set de componente. Declanșatorul joacă un rol major în design. Include un comparator. Sarcina principală a comparatorului este de a compara valoarea diferenței de potențial de ieșire cu cea mai mare valoare admisă.

Principiul de funcționare a dispozitivului cu un declanșator Schmitt este că atunci când cea mai mare tensiune crește, declanșatorul este comutat în poziția zero cu deschiderea cheii electronice. La un moment dat, clapeta de accelerație se descarcă. Când tensiunea atinge cea mai mică valoare, se efectuează comutarea cu unul. Acest lucru asigură că comutatorul se închide și curentul curge către integrator.

Astfel de dispozitive se disting prin circuitul lor simplificat, dar pot fi utilizate în cazuri speciale, deoarece stabilizatorii de impulsuri sunt doar de tip step-up și step-down.

Buck stabilizator

Stabilizatoarele de tip impuls, care funcționează cu reducerea tensiunii, sunt dispozitive compacte și puternice de alimentare cu energie electrică. În același timp, au o sensibilitate scăzută la interferența consumatorului cu o tensiune constantă de aceeași valoare. Nu există izolație galvanică a ieșirii și a intrării în dispozitivele step-down. Dispozitivele importate se numesc chopper. Puterea de ieșire în astfel de dispozitive este întotdeauna mai mică decât tensiunea de intrare. Circuitul unui stabilizator de impulsuri de tip buck este prezentat în figură.

Să conectăm tensiunea pentru a controla sursa și poarta tranzistorului, care va intra în poziția de saturație. Acesta va transporta curent prin circuit de la polul pozitiv prin bobina de egalizare și sarcină. Niciun curent nu trece prin diodă în direcția înainte.

Să oprim tensiunea de control, care oprește tranzistorul cheie. După aceasta, va fi în poziția de tăiere. FEM inductiv al șocului de egalizare va bloca calea pentru schimbarea curentului, care va curge prin circuit prin sarcina de la șoca, de-a lungul conductorului comun, diodei și va ajunge din nou la șoc. Capacitatea C1 se va descărca și va menține tensiunea la ieșire.

Când se aplică o diferență de potențial de deblocare între sursa și poarta tranzistorului, acesta va intra în modul de saturație și întregul lanț se va repeta din nou.

Stabilizator inversor

Stabilizatorii de comutare de tip inversor sunt utilizați pentru a conecta consumatorii cu tensiune constantă, a căror polaritate are direcția de polaritate opusă diferenței de potențial la ieșirea dispozitivului. Valoarea acestuia poate fi deasupra rețelei de alimentare și sub rețea, în funcție de setările stabilizatorului. Nu există izolație galvanică între sursa de alimentare și sarcină. Dispozitivele de tip inversor importate se numesc convertoare buck-boost. Tensiunea de ieșire a unor astfel de dispozitive este întotdeauna mai mică.

Să conectăm o diferență de potențial de control, care va deschide tranzistorul dintre sursă și poartă. Se va deschide, iar curentul va curge prin circuit de la plus prin tranzistor, inductor, la minus. În acest proces, inductorul își rezervă energie folosind câmpul său magnetic. Să oprim diferența de potențial de control de la comutatorul de pe tranzistor, se va închide. Curentul va curge din inductor prin sarcină, diodă și va reveni la poziția inițială. Energia de rezervă de pe condensator și câmpul magnetic va fi consumată de sarcină. Să aplicăm puterea tranzistorului din nou la sursă și la poartă. Tranzistorul va deveni din nou saturat și procesul se va repeta.

Avantaje și dezavantaje

Ca toate dispozitivele, un stabilizator modular de comutare nu este ideal. Prin urmare, are propriile sale avantaje și dezavantaje. Să ne uităm la principalele avantaje:

Realizați cu ușurință alinierea.
Conexiune lină.
Dimensiuni compacte.
Stabilitatea tensiunii de ieșire.
Interval larg de stabilizare.
Eficiență crescută.

Dezavantajele dispozitivului:

Design complex.
Există multe componente specifice care reduc fiabilitatea dispozitivului.
Necesitatea utilizării dispozitivelor de compensare a puterii.
Dificultatea lucrărilor de reparație.
Formarea unei cantități mari de interferențe de frecvență.

Frecvența admisă

Funcționarea unui stabilizator de impuls este posibilă la o frecvență de conversie semnificativă. Aceasta este principala caracteristică distinctivă față de dispozitivele care au un transformator de rețea. Mărirea acestui parametru face posibilă obținerea celor mai mici dimensiuni.

Pentru majoritatea dispozitivelor, intervalul de frecvență va fi de 20-80 kiloherți. Dar atunci când alegeți dispozitivele PWM și cheie, este necesar să luați în considerare armonicile de curent ridicat. Limita superioară a parametrului este limitată de anumite cerințe care se aplică dispozitivelor cu frecvență radio.

În stabilizatoarele cu PWM, un generator este utilizat ca element de impuls, al cărui timp de impuls sau pauză variază în funcție de semnalul constant care ajunge la intrarea elementului de impuls de la ieșirea circuitului de comparație.

Principiul de funcționare al unui stabilizator PWM este după cum urmează. Tensiunea DC de la redresor sau baterie este furnizată la tranzistorul de reglare și apoi prin filtru la ieșirea stabilizatorului. Tensiunea de ieșire a stabilizatorului este comparată cu tensiunea de referință, iar apoi semnalul de diferență este aplicat la intrarea unui dispozitiv care convertește semnalul de curent continuu în impulsuri de o anumită durată, acestea din urmă modificându-se proporțional cu diferența de semnal dintre tensiune de referință și măsurată. De la un dispozitiv care convertește curentul continuu în impulsuri, semnalul este trimis către un tranzistor de control; acesta din urmă comută periodic și valoarea medie a tensiunii la ieșirea filtrului depinde de raportul dintre timpul în care tranzistorul se află în stările deschis și închis (de lățimea impulsului - de unde și numele acestui tip de modulație) și repetarea impulsului PWM rata este constantă. Când tensiunea la ieșirea stabilizatorului se modifică, semnalul de curent continuu se modifică și, prin urmare, lățimea (durata) impulsului (la o perioadă constantă); Ca urmare, valoarea medie a tensiunii de ieșire revine la valoarea inițială.

În stabilizatori cu PFM Când semnalul de la ieșirea elementului de impuls se schimbă, durata pauzei se schimbă, dar durata impulsului rămâne neschimbată. În plus, spre deosebire de stabilizatorii cu PWM, frecvența de comutare a tranzistorului de control depinde de modificările curentului de sarcină și ale tensiunii de ieșire și, prin urmare, este o valoare în schimbare, neconstantă - de unde și numele acestui tip de modulație. Principiul de funcționare al unor astfel de stabilizatori este similar cu principiul de funcționare al stabilizatorilor PWM. O modificare a tensiunii de ieșire a stabilizatorului determină o modificare a pauzei, ceea ce duce la o modificare a frecvenței impulsului, iar valoarea medie a tensiunii de ieșire rămâne neschimbată.

Principiul de funcționare al releului sau cu două poziții stabilizatorii sunt oarecum diferiți de principiul de funcționare al stabilizatorilor cu PWM. În stabilizatoarele cu relee, un declanșator este folosit ca element de impuls, care, la rândul său, controlează un tranzistor de reglare. Când se aplică o tensiune constantă la intrarea stabilizatorului, în primul moment tranzistorul de reglare este deschis și tensiunea la ieșirea stabilizatorului crește, iar semnalul la ieșirea circuitului de comparație crește în mod corespunzător. La o anumită valoare a tensiunii de ieșire, semnalul de la ieșirea circuitului de comparație atinge o valoare la care se declanșează declanșarea, închizând tranzistorul de control. Tensiunea la ieșirea stabilizatorului începe să scadă, ceea ce determină o scădere a semnalului la ieșirea circuitului de comparație. La o anumită valoare a semnalului la ieșirea circuitului de comparație, declanșatorul se declanșează din nou, deschide tranzistorul de control și tensiunea la ieșirea stabilizatorului începe să crească; acesta va crește până când declanșatorul închide din nou tranzistorul de control și astfel procesul se repetă.

O modificare a tensiunii de intrare sau a curentului de sarcină al stabilizatorului va duce la o modificare a timpului de stare deschisă a tranzistorului de control și la o modificare a frecvenței sale de comutare, iar valoarea medie a tensiunii de ieșire va fi menținută (cu o anumită gradul de precizie) neschimbat. Astfel, ca și în stabilizatoarele PFM, în stabilizatoarele cu relee frecvența de comutare a tranzistorului de control nu este constantă.

Avantajele și dezavantajele stabilizatorilor descriși.

1. În principiu, ondularea tensiunii de ieșire în stabilizatoarele cu PWM și PWM poate fi complet absentă, deoarece elementul de impuls este controlat de componenta constantă a semnalului circuitului de control; În stabilizatoarele cu relee, pulsațiile tensiunii de ieșire trebuie să aibă loc în mod fundamental, deoarece comutarea periodică a declanșatorului este posibilă numai atunci când tensiunea de ieșire se modifică periodic.

Unul dintre principalele dezavantaje ale stabilizatorilor PWM și PWM în comparație cu cele cu releu este viteza lor de funcționare mai mică.

Acest circuit este un regulator step-down cu capacitatea de a regla și proteja sau limita curentul. O caracteristică specială a dispozitivului este utilizarea unui tranzistor bipolar cu inducție statică (BSIT) și a unui microcircuit TL494 cu două amplificatoare operaționale în secțiunea de putere. Op-amp-urile sunt utilizate în circuitul de feedback negativ al regulatorului, asigurând o funcționare optimă.

Parametrii de funcționare ai regulatorului:

tensiune nominală de alimentare – 40…45V;
domeniu reglabil de tensiune de ieșire – 1…30V;
Frecvența controlerului PWM – 40 kHz;
rezistența circuitului de ieșire regulator – 0,01 Ohm;
curentul de ieșire maxim pe termen lung este de 8A.

Circuitul stabilizator este prezentat în figura 1. Un filtru de netezire format din condensatoare C16-18, inductanța de stocare L1, diodă-descărcător VD6, comutatorul VT1 alcătuiesc circuitul de alimentare al dispozitivului. Construcția circuitului de alimentare este clasică, diferența sunt elementele suplimentare C5, VDD1, R7, VT2, concepute pentru a asigura funcționarea în siguranță a comutatorului de alimentare (VT1).Transformatorul T2 vă permite să reduceți rata de creștere a curentului la deschiderea Comutator VT1. Energia acumulată atunci când cheia este închisă merge la intrarea circuitului prin partea dreaptă a ansamblului de diode VD1. Capacitatea C5 este proiectată pentru a reduce rata de creștere a tensiunii pe comutator. Instalarea elementelor de circuit OBR optimizează modul de funcționare al tranzistorului cheie, reducând pierderile de căldură și sarcinile de șoc. Protecția cheii VT1 de efectele curentului invers prin circuitul C5T2 este asigurată de dioda VD1 situată în stânga.

Poza 1

Semnalul de control către poarta comutatorului este furnizat prin transformatorul de izolare T1, a cărui înfășurare primară este conectată la circuitul colector al tranzistorului T2. Elementele R1, VD2, VD3 sunt proiectate pentru a limita supratensiunea inversă a porții comutatorului. Emițătorul VT2 este conectat printr-un rezistor de limitare R8 la pinii 8 și 10 ai microcircuitului DA1 (colectori ai tranzistorilor de ieșire). Rezistorul de limitare vă permite să selectați valoarea optimă a curentului de poartă al comutatorului VT1.

Funcționarea circuitului este controlată pe un cip TL494 special conceput. Principiul de conectare este clasic, pinii 7 și 13 sunt conectați, modul single-ended. Pentru a putea lucra cu o tensiune minimă, o tensiune de referință de aproximativ 0,9 V este setată la pinul 2 de un divizor. Tensiunea de pe al 4-lea picior determină ciclul de lucru maxim al impulsurilor generate. Răspunsul amplitudine-frecvență al circuitului este corectat în timp de către lanțurile master C12R14, C11R13. Frecvența de generare este setată de lanțul C14R21. Feedback-ul de tensiune negativ este stabilit de elementele VD8, R20, R25, R24. Tensiunea la ieșirea stabilizatorului este stabilită de rezistența variabilă R24. Controlul curentului se realizează prin căderea de tensiune între rezistențele R5, R4 instalate în paralel. Semnalul de la ei merge la al 2-lea amplificator operațional al cipul de control (contactele 16,15). Limitarea maximă a curentului la ieșirea dispozitivului este reglată de rezistența R19.

Op-amp-ul cipul DA2 este proiectat pentru a proteja dispozitivul atunci când curentul de ieșire depășește valoarea maximă admisă. Intrările amplificatorului operațional DA1 și DA2 sunt conectate la un senzor de curent folosind rezistențele R5, R4. Pe măsură ce căderea de tensiune pe senzor crește, la ieșirea comparatorului va apărea o tensiune înaltă. Prin contactul închis SA1, se formează un lanț de feedback pozitiv; tensiunea înaltă va menține amplificatorul operațional DA2 în această stare și va bloca funcționarea lui DA1 prin intrarea 16.

Comutatorul SA1 în stare deschisă asigură funcționarea dispozitivului cu limitarea maximă a curentului. LED-ul HL1 se aprinde atunci când sarcina este deconectată sau când curentul este limitat.

Alimentarea pentru partea de control a circuitului este asigurată de un lanț stabilizator de elemente C6-10, C4, C3, R3, R2, VD5, VD4, VT2.

Dispozitivul este asamblat pe o placă din fibră de sticlă cu folie pe o parte. Piese de la distanță:

comutator SA1;
LED HL1;
regulator de voltaj

Toate pistele destinate părții de putere a circuitului trebuie să fie întărite suplimentar cu sârmă de cupru cu o secțiune transversală de cel puțin 1 mm 2. Piesele pot fi folosite în Rusia sau analogii lor străini. Zona radiatorului pentru ansamblul tranzistor cheie și diodă VD1 este de cel puțin 370 cm 2, pentru VD6 - cel puțin 130 cm 2.