Імпульсний стабілізатор напруги

Імпульсний стабілізатор напруги персонального комп'ютера

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

Принцип роботи

Безтрансформаторний стабілізатор зі зменшенням напруги

Окрім ключа S, найпростіша схема з дроселем L включає діод D і конденсатор C. Коли ключ S замикає коло, струм від джерела тече через 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 через дросель росте, як і напруга на конденсаторі C і навантаженні. При розімкнутому ключі S струм продовжує текти через дросель в тому ж напрямку через діод D і навантаження, а також конденсатор C. ЕРС самоіндукції прикладена до опору R через діод D, струм через дросель зменшується, як і напруга на конденсаторі C і на навантаженні.

В якості перемикача 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 комутуючий елемент S ввімкнутий після дроселя. Коли він замкнутий, струм від джерела тече через дросель L; струм через нього збільшується, в ньому накопичується енергія. При роз'єднанні кола струм від джерела тече через 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 через 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 в змінний високої частоти (звичайно в діапазоні 10-100 кГц).
• Схему управління інвертором, яка забезпечує стабілізацію вихідної напруги (в окремих випадках також захист, спеціальні режими пуску тощо).
• Високочастотний вихідний трансформатор для гальваничної розв'язки та пониження напруги з інвертора до необхідного рівня або рівнів.
• Вихідний випрямляч з фільтром (може бути кілька).

Змінна напруга електричної мережі (в залежності 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 біля 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, тому їх розміри можуть бути незначними.

Як наслідок, імпульсні стабілізатори напруги мають високий ККД при невеликих розмірах, вазі і вартості.

Недоліком таких стабілізаторів є значне високочастотне випромінювання і, як наслідок, необхідність екранування в чутливій апаратурі. Крім того, на виході стабілізатора можуть бути присутні пульсації, які виникають через високочастотні наведення від трансформатора та з'єднуючих провідників.

Різновиди

За співвідношенням вхідної та вихідної напруги

• Знижуючі
• Підвищуючі
• 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 режиму 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 практично у всіх пристроях, підключених до побутової мережі напруги: телевізорах, комп'ютерах, аксесуарах тощо.

Див. також

• Широтно-імпульсна модуляція

Література

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