Імпульсний стабілізатор напруги

Імпульсний стабілізатор напруги персонального комп'ютера: A — вхідний випрямний міст та фільтр перешкод. B — конденсатори вхідного фільтра, правіше — радіатор високовольтних транзисторів. C — трансформатор, правіше — радіатор низьковольтних діодів. D — вихідний дросель. E — конденсатори вихідного фільтра. Нижче E — дросель та конденсатор вхідного фільтра на мережному роз'ємі

Імпульсний стабілізатор напруги (ключовий стабілізатор напруги) — це стабілізатор напруги, в якому регулювальний елемент працює в ключовому режимі, тобто більшу частину часу знаходиться або в режимі відсічення — коли його опір максимально великий, або в режимі насичення — коли його опір якнайменший.

Спосіб роботи

Безтрансформаторний стабілізатор зі зменшенням напруги

Окрім ключа S, найпростіша схема з дроселем L передбачає діод D і конденсатор C. Коли ключ S замикає коло, струм від джерела тече крізь дросель L в навантаження. ЕРС самоіндукції дроселя скерована проти напруги джерела напруги. В результаті напруга на опорі навантаження дорівнює різниці напруг джерела і ЕРС самоіндукції дроселя, струм крізь дросель росте, як і напруга на конденсаторі C і навантаженні. При розімкнутому ключі S, струм продовжує текти крізь дросель в тому ж напрямку як і крізь діод D та навантаження, а також конденсатор C. ЕРС самоіндукції прикладена до опору R крізь діод D, струм крізь дросель зменшується, як і напруга на конденсаторі C і на навантаженні.

Як перемикач S, може бути використаний польовий чи біполярний транзистор, або тиристор. Напруга на опорі навантаження не може перевищувати напругу джерела.

Безтрансформаторний стабілізатор з підвищенням напруги

В цій схемі перемикальний елемент S увімкнутий після дроселя. Коли він замкнений, струм від джерела тече крізь дросель L; струм крізь нього збільшується, в ньому накопичується енергія. У разі роз'єднання кола струм від джерела тече крізь дросель L, діод D і опір навантаження. Напруга джерела і ЕРС самоіндукції дроселя прикладені в одному напрямку і сумуються на опорі навантаження. Струм поступово зменшується, дросель віддає енергію в навантаження. Поки перемикач замкнутий, навантаження живиться напругою конденсатора C. Діод D не дає йому розрядитися крізь ключ S.

Трансформаторний імпульсний стабілізатор

Блок-схема імпульсного стабілізатора напруги

Спрощена принципова схема імпульсного стабілізатора напруги з блоком порівняння на операційному підсилювачі

Трансформаторний імпульсний стабілізатор включає (див. Блок-схему імпульсного стабілізатора напруги):

• випрямляч змінного струму побутової частоти (50 або 60 Гц) з накопичувальним конденсатором значної ємності;
• інвертор — перетворює постійний струм на змінний високої частоти (зазвичай у межах 10-100 кГц);
• схему керування інвертором, яка забезпечує стабілізацію вихідної напруги (в окремих випадках також захист, спеціальні режими пуску тощо).
• високочастотний вихідний трансформатор для гальванічної розв'язки та пониження напруги з інвертора до необхідного рівня або рівнів;
• вихідний випрямляч із фільтром (може бути кілька).

Змінна напруга електричної мережі (залежно від регіону світу між 100—240В і 50-60Гц) випрямляється на вхідному діодному мосту і згладжується конденсатором великої ємності, після чого подається на високочастотний інвертор. Регулювання вихідної напруги відбувається шляхом широтно-імпульсної мудуляції в схемі управління — порівнянням вихідної напруги з пилкоподібними імпульсами. При цьому час, поки ключ виявляється закритим, виявляється пропорційним вихідній напрузі, і таким чином зміна енергії в вихідному високочастотному трансформаторі забезпечує стабілізацію вихідної напруги стабілізатора.

Переваги та недоліки імпульсного стабілізатора напруги

У порівнянні зі стабілізатором напруги на силовому трансформаторі імпульсний стабілізатор має наступні переваги:

• вхідний конденсатор працює при напрузі, яка становить $U_{c}=1.41U_{in}$, де $U_{in}$ — напруга в мережі (для мережі 220 В напруга на конденсаторі становить близько 310 В). Зважуючи на те, що енергія конденсатора пропорційна квадрату напруги $E=(CU^{2})/2$, конденсатор здатен запасати значну енергію при відносно невеликій ємності;
• розсіювана на ключовому елементі інвертора потужність складає $P=UI$. Зважаючи на те, що цей елемент більшу частину часу знаходиться або в режимі малого струму (коли він закритий), або в режимі малої напруги (коли відкритий), розсіювана на ключі потужність є незначною;
• вихідний трансформатор та вихідні фільтри працюють на високій частоті, тож їх розміри можуть бути незначними.

Як наслідок, імпульсні стабілізатори напруги мають високий ККД за невеликих розмірів, ваги і вартості.

Вадою таких стабілізаторів є значне високочастотне випромінювання і, як наслідок, потреба екранування в чутливих пристроях. Крім того, на виході стабілізатора можуть бути присутні пульсації, які виникають через високочастотні наведення від трансформатора та з'єднувальних провідників.

Різновиди

За співвідношенням вхідної та вихідної напруги:

• знижувальні;
• підвищувальні;
• з довільною зміною напруги;
• інвертори.

За типом ключового елемента:

• на польових транзисторах;
• на тиристорах;
• на біполярних транзисторах.

Інтегруючим елементом може бути:

• дросель;
• конденсатор;
• акумулятор.

Залежно від способу роботи поділяються на:

• на основі широтно-імпульсної модуляції:
• двопозиційні (або релейні).

Застосування

Імпульсні блоки живлення майже повністю замінили блоки живлення на силовому трансформаторі. Вони використовуються майже в усіх пристроях, приєднуваних до побутової мережі напруги: телевізорах, комп'ютерах, аксесуарах тощо.

Див. також

• Широтно-імпульсна модуляція
• Пилкоподібна хвиля

Література

• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — Изд.5-е, перераб. — М. : Мир, 1998. — 698 с. — ISBN 978-5-9518-0351-1. (рос.)