Клод Галле - Как проектировать электронные схемы

ИМПУЛЬСНАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

В последнее время наблюдается значительный прогресс в области импульсной стабилизации напряжения. Новые устройства выгодно отличаются от традиционных (аналоговые схемы с последовательным включением регулирующего элемента). Современные силовые компоненты позволяют использовать весьма высокие рабочие частоты, благодаря чему можно существенно уменьшить размеры, вес и стоимость стабилизаторов при сохранении их основных характеристик. Импульсные источники питания широко применяются в различных радиоэлектронных устройствах и в современных компьютерах.

Принцип импульсной стабилизации используется не только в источниках, питающихся от электрической сети, но и в понижающих или повышающих преобразователях постоянного напряжения. Трансформаторы, работающие на частоте сети 50 Гц, имеют большие размеры и вес, причем эти параметры быстро увеличиваются с возрастанием выходной мощности. Такая же закономерность характерна и для других силовых элементов источника питания. Источник потребляет значительную мощность, поэтому он должен интенсивно охлаждаться. При увеличении рабочей частоты можно в значительной мере преодолеть эти недостатки. Вместо того чтобы управлять высоким выходным током при низком напряжении, гораздо эффективнее использовать импульсное управление более низким током на входе стабилизатора при питании постоянным напряжением от выпрямителя, подключенного к сети. В качестве управляющих элементов успешно используются мощные МОП транзисторы, описанные выше.

На рис. 2.73 а представлена блок-схема классического источника питания, а на рис. 2.73 б — схема его импульсного аналога.

В последнем случае к сети подключен мостовой выпрямитель с фильтрующим конденсатором, обеспечивающий постоянное напряжение около 310 В. Это напряжение, прерываемое электронным переключателем (МОП транзистором), подводится к понижающему трансформатору, во вторичную обмотку которого включен выпрямитель с фильтром. Устройство управления обеспечивает работу транзистора в ключевом режиме на значительной частоте (до нескольких десятков килогерц), что позволяет существенно снизить размеры трансформатора и потребляемую им мощность. Стабилизация выходного напряжения осуществляется путем изменения длительности импульсов, поступающих на трансформатор. При разработке схемы необходимо добиться согласования потенциалов в различных ее частях. Кроме того, для подавления значительных импульсных помех устройство следует экранировать.

Импульсная техника используется не только для создания источников питания, работающих от сети. Часто необходимо понизить относительно высокое постоянное напряжение до заданного стабилизированного значения. Если для выполнения такой задачи используется серийный аналоговый стабилизатор, то неизбежно встает проблема рассеяния значительной мощности. Схема, данная на рис. 2.73 в , представляет собой оригинальный вариант использования классической микросхемы LM723. Она управляет импульсным источником питания, способным обеспечить в нагрузке максимальный ток 2 А при напряжении 5 В. При этом напряжение на входе может достигать 28 В. Рабочая частота составляет около 20 кГц, остаточные колебания выходного напряжения не превышают 40 мВ.

При значительной разнице напряжений между входом и выходом мощность, рассеиваемая силовым регулирующим элементом (транзистор Дарлингтона р-n-р типа), намного ниже, чем в традиционных схемах.

На рис. 2.73 г показан пример использования специализированной микросхемы типа TL497. Здесь представлен преобразователь с входным напряжением 12 В, который может обеспечить на выходе до 28 В при максимальном токе 3 А.

Важную роль в работе устройства играет дроссель, накапливающий энергию и в нужный момент отдающий ее в нагрузку. Модель TL497 отличается от других аналогичных микросхем принципом генерации сигналов. Стабилизация производится не за счет варьирования длительности импульсов, а в связи с изменения частоты их следования. Если источник питания нагружен слабо или не нагружен совсем, импульсы следуют с частотой порядка 1 Гц. В таком режиме можно слышать легкие щелчки, исходящие от дросселя, частота которых при работе регулирующего устройства изменяется в соответствии с частотой следования импульсов.

СТАБИЛИЗАТОРЫ НА ДИСКРЕТНЫХ КОМПОНЕНТАХ

При разработке источника питания, как правило, используют одну из специализированных серийных микросхем стабилизаторов. Наряду с этим можно построить простую схему стабилизатора на дискретных компонентах. Схема, представленная на рис. 2.74 а , позволяет получить на выходе высокостабильное регулируемое напряжение.

При необходимости переменный резистор можно вынести за пределы устройства для удобства регулировки. Тип балластного транзистора выбирается в соответствии с требуемым током. Если он не превышает 200 мА, можно использовать транзистор ВС547, при более высоких токах (вплоть до 1 А) потребуется составной транзистор Дарлингтона типа TIP 122. Мощность, рассеиваемая транзистором, определяется разностью входного (на коллекторе) и выходного (на эмиттере) напряжений, а также потребляемым током. При значительной величине рассеиваемой мощности требуется принять меры для охлаждения транзистора.

Вторая схема (рис. 2.74 б ) дополнительно обеспечивает ограничение выходного тока. Уровень ограничения определяется сопротивлением резистора, включенного последовательно с нагрузкой. Как только напряжение на его выводах достигает порога открывания третьего транзистора (около 0,6 В), по коллекторной цепи начинает протекать ток. Это приводит к уменьшению проводимости балластного транзистора и к снижению выходного напряжения стабилизатора. При выборе типа резистора необходимо, как обычно, оценить рассеиваемую им мощность.

СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА

Сегодня ассортимент интегральных импульсных стабилизаторов напряжения весьма широк. Для их использования в устройствах с небольшим потребляемым током, как правило, достаточно добавить несколько резисторов, конденсаторов, дроссель и быстродействующий диод. К этому же семейству принадлежат и некоторые микросхемы стабилизаторов тока, в основном предназначенные для зарядки аккумуляторов. Они также работают при весьма ограниченных токах.