СХЕМОТЕХНИКА СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Большинство современных электронных устройств для нормального функционирования требуют стабилизированный источник питания. Для самого простой способа стабилизации напряжения, можно использовать линейные стабилизаторы, которые обеспечивают приемлемый уровень пульсаций, и позволяют получить широкий диапазон питающих напряжений, но есть очень большой недостаток – крайне низкий КПД, который падает с увеличением отношения входного напряжения стабилизатора к выходному [3], из этого следует, что применять линейные стабилизаторы целесообразно только при относительно небольшом токе нагрузки.

Кроме того, цифровые схемы управления часто нуждаются в отделённом от основных силовых цепей стабилизированном источнике питания. Это обусловлено тем, что большие токи, протекающие в основных силовых шинах, могут вызывать скачки напряжения, существенно влияющие на работу управляющей части и способные вывести ее из строя.

Так импульсные стабилизаторы имеет очень высокий КПД (более 70 %) по сравнению с линейными стабилизаторами. Это обусловлено тем, что тран­зисторы в силовой части импульсного преобразователя работают в ключевом режиме, то есть имеют два устойчивых состояния – состояние насыщения, когда падение напряжения на транзисторе в идеальном случае равно нулю, и состояние отсечки, когда ток через транзистор не протекает. В таком случае основная часть тепловых потерь на силовых ключах, приходится на момент их переключения [1-2]. Отсюда вытекает одно из важнейших правил построения импульсных инверторов – необходимость обеспечения достаточно быстрого открытия и закрытия транзисторов, что позволяет значительно уменьшить их нагрев и увеличить КПД стабилизатора.

В отличие от линейных стабилизаторов, импульсные стабилизаторы могут преобразовывать входное напряжение произвольным образом. То есть выходное напряжение может быть, как меньше, так и больше входного. Однако ключевой преобразователь является источником импульсных помех, что предъявляет к его схеме высокие требования в части электромагнитной совместимости с другими устройствами.

Для устранения такого рода помех используют входные и выходные фильтры. Они обеспечивают подавление высокочастотных помех, возникающих, вследствие переключения силовых ключей с достаточно высокой частотой. Конструктивно, помехоподавляющие цепи выполнены в виде LC фильтров нижних частот.

Основным узлом преобразователя напряжения является его силовая часть (мощный выходной каскад). Силовые части большинства разновидностей импульсных преобразователей можно разделить на два класса: однотактные и двухтактные.

К основным преимуществам однотактных схем можно отнести простоту конструкции и менее жесткие требования к блоку формирования управляющих импульсов. Основным недостатком однотактных преобразователей является меньший КПД по сравнению с двухтактными, кроме того, они требуют больших размеров и массы импульсного трансформатора, и отличаются неоптимальным режимом работы ключевого транзистора.

Однотактные преобразователи можно разделить на прямоходовые (проточные) и обратноходовые (запорные). В прямоходовых преобразователях ток подзарядки накопителей энергии во вторичной цепи (ток через диоды выпрямителя) протекает, когда ключевой транзистор находится в состоянии насыщения, а в обратноходовых – когда этот транзистор находится в состоянии отсечки.

В прямоходовом преобразователе ток одновременно проходит через силовой транзистор на первичной стороне и выпрямительный диод на вторичной стороне. Обобщенная принципиальная схема прямоходового преобразователя представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Обобщенная принципиальная схема прямоходового преобразователя

Обратноходовой преобразователь (как и прямоходовой преобразователь) обычно используется при относительно небольших мощностях. Одно из его достоинств — очень простая схема, изображенная на рисунке 2.

Рисунок 2. Обратноходовой преобразователь

Преобразователи с двухтактными выходными каскадами используются при относительно больших мощностях. В двухтактных преобразователях через трансформатор передаются импульсы разной полярности, поэтому каждый такт работы происходит перемагничивание сердечника, что позволяет уменьшить его геометрические размер, и использовать импульсы со скважностью значительно превышающей 50 %, однако магнитные потери в сердечнике возрастают. Среди двухтактных преобразователей можно выделить два основных класса: полумостовые и мостовые преобразователи.

Полумостовые преобразователи. Обобщенная принципиальная схема полумостового преобразователя приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Полумостовой преобразователь

Высокий КПД стабилизатора напряжения особенно важен для приборов, работающих в автономном режиме. Так одним из важнейших узлов мобильных платформ во всем мире является блок энергообеспечения. В современных системах для корректного функционирования различных аппаратных модулей систем необходим широкий диапазон питающих напряжений, обеспечивать кото­рый, используя аккумуляторные батареи различных емкостей крайне неудобно и непрактично. Применение линейных стабилизаторов в данном случае неприемлемо, в виду значительных тепловых потерь и необходимости создания систем охлаждения.

Список литературы:

1. Искусство схемотехники [электронный ресурс] — Режим доступа. – URL: http://www.skilldiagram.com/gl6-19.html (дата обращения 18 ноября 2014).
2. Источник питания: импульсный или линейный? за и против [электронный ресурс] — Режим доступа. – URL: http://www.bvp.com.ua/Art_PulseOrLinear (дата обращения 1 ноября 2014).
3. Линейные стабилизаторы напряжения с высоким КПД [электронный ресурс] — Режим доступа. – URL: http://qrx.narod.ru/bp/lsn.html (дата обращения 16 ноября 2014).