Общим недостатком компенсационных стабилизаторов напряжения является низкий КПД из-за потерь в транзисторах регулирующего элемента, что, кроме того, требует мощных теплоотводов, значительно превышающих по габаритам и массе сами стабилизаторы. Более прогрессивным техническим решением являются импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН), в которых транзисторы регулирующих элементов работают в ключевом режиме. При использовании высокочастотных транзисторов проблема КПД и массо-габаритных характеристик в таких стабилизаторах решается достаточно радикально.

Существуют три основные схемы ИСН : последовательный ИСН понижающего типа (рис. 12.15), параллельный ИСН повышающего (рис. 12.16) и параллельный инвертирующего (рис. 12. 17) типа. Все три схемы содержат накопительный дроссель L, регулирующий элемент 1, блокировочный диод VD, элементы управления 2, 3 и конденсатор фильтра С.

Импульсный последовательный стабилизатор понижающего типа выполняется по структурной схеме, приведенной на рис. 12.15, в которой регулирующий элемент 1 и дроссель L включены последовательно с нагрузкой Rn. В качестве РЭ используется транзистор, работающий в ключевом режиме. При открытом в течение времени Т„ транзисторе энергия от входного источника постоянного тока Ui (или выпрямителя с выходным напряжением Uo) передается в нагрузку через дроссель L, в котором накапливается энергия. При закрытом в течение времени Тп транзисторе накопленная в дросселе энергия через диод VD передается в нагрузку. Период коммутации (преобразования) равен Т=Ти+Тп. Частота коммутации (преобразования) F=1/T. Отношение длительности открытого состояния транзистора, при котором генерируется импульс напряжения длительностью Ти, к периоду коммутации Т называется коэффициентом заполнения Кз=Ти/Т.

Таким образом, в импульсном стабилизаторе регулирующий элемент 1 преобразует (модулирует) входное постоянное напряжение Ui в серию последовательных импульсов определенной длительности и частоты, а сглаживающий фильтр, состоящий из диода VD, дросселя L и конденсатора С, демодулирует их в постоянное напряжение Uo. При изменении выходного напряжения Uo или тока в нагрузке Rn в импульсном стабилизаторе с помощью цепи обратной связи, состоящей из измерительного элемента 3 и схемы управления 2, длительность импульсов изменяется таким образом, чтобы выходное напряжение Uo оставалось неизменным (с определенной степенью точности).

Импульсный режим работы позволяет существенно уменьшить потери в регулирующем элементе и тем самым повысить КПД источника питания, уменьшить его массу и габариты. В этом состоит основное преимущество импульсных стабилизаторов перед компенсационными стабилизаторами непрерывного действия.

Импульсный параллельный стабилизатор (повышающего типа) выполняется по структурной схеме на рис. 12.16, в которой регулирующий элемент 1 подключен параллельно нагрузке Rn. Когда регулирующий транзистор открыт, ток от источника питания Ui протекает через дроссель L, запасая в нем энергию. Диод VD при этом находится в закрытом состоянии и поэтому не позволяет конденсатору С разрядиться через открытый регулирующий транзистор. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С. В момент времени, когда регулирующий транзистор закрывается, ЭДС самоиндукции дросселя L суммируется с входным напряжением и энергия дросселя передается в нагрузку, при этом выходное напряжение оказывается больше входного напряжения питания Ui. В отличие от схемы на рис. 12.15 здесь дроссель не является элементом фильтра, а выходное напряжение становится больше входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя L и временем открытого состояния регулирующего транзистора (или скважностью управляющих импульсов).

Схема управления стабилизатором на рис. 12.16 построена таким образом, что, например, при повышении входного напряжения питания Ui уменьшается длительность открытого состояния регулирующего транзистора на такую величину, что выходное напряжение Uo остается неизменным.

Импульсный параллельный инвертирующий стабилизатор выполняется по структурной схеме, приведенной на рис. 12.17. В отличие от схемы на рис. 12.16 здесь дроссель L включен параллельно нагрузке Rn, а регулирующий элемент 1 - последовательно с ней. Блокирующий диод отделяет конденсатор фильтра С и нагрузку Rn от регулирующего элемента по постоянному току. Стабилизатор обладает свойством изменения (инвертирования) полярности выходного напряжения Uo относительно полярности входного напряжения питания.

Импульсные стабилизаторы в зависимости от способа управления регулирующим транзистором могут выполняться с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) или релейным управлением. В ШИМ-ста-билизаторах в процессе работы изменяется длительность импульса Ти, а частота коммутации остается неизменной; в ЧИМ-стабилизаторах изменяется частота коммутации, а длительность импульса Ти остается постоянной; в релейных стабилизаторах в процессе регулирования напряжения изменяется как длительность импульсов, так и частота их следования.

Наибольшее распространение на практике получил последовательный ИСН (рис. 12.15), в котором накопительный дроссель одновременно является элементом сглаживающего LC-фильтра. В стабилизаторах на рис. 12.16 и 12.17 дроссель L не участвует в сглаживании пульсации выходного напряжения. В этих схемах сглаживание пульсации достигается только за счет увеличения емкости конденсатора С, что приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом.

Статическая регулировочная характеристика, определяемая для стабилизатора на рис. 12.15 по формуле Uo/Ui=Kз (1 - Кг), представляет собой прямую, наклон которой зависит (без учета потерь в регулирующем транзисторе и диоде) от отношения активных сопротивлений дросселя и нагрузки Kг=Rd/Rn. Напряжение Uo на нагрузке определяется относительной длительностью управляющих импульсов (при постоянном Ui) и не может быть больше напряжения питания, а линейность данной характеристики соответствует условиям устойчивой работы ИСН.

Рассмотрим основные элементы ИСН на рис. 12.15. Начнем с основного блока, схема которого показана на рис. 12.18.

Блок включает в себя силовую часть и регулирующий элемент на транзисторе VT1, управляемый ключом на транзисторе VT2 (диод VD2 служит для защиты базового перехода VT2 при большом отрицательном входном сигнале управления). Сопротивление резистора R1 выбирается из условия обеспечения закрытого состояния транзистора VT1 (100...900 Ом), a R2 - ориентировочно из условия kbUi=R2 Ikmax где k=l,5...2 - коэффициент запаса по насыщению; b, Ikmax - коэффициент усиления тока и максимальный импульсный коллекторный ток транзистора VT1. Аналогичным образом выбирается сопротивление резистора R3, но при этом в расчетах Ui заменяется амплитудой управляющего импульса функционального генератора. Отметим, что при выборе количества транзисторов РЭ можно руководствоваться рекомендациями, приведенными для схемы на рис. 12.12.

Исходными данными для выбора параметров схемы на рис. 12.18 являются:

напряжение Ui и пределы его изменения; внутреннее сопротивление Ri источника Ui; номинальное выходное напряжение стабилизатора Uo и допустимые пределы его регулировки; максимальный Inmax и минимальный Imin токи нагрузки, допустимая амплитуда пульсации выходного напряжения стабилизатора; коэффициент стабилизации Кn и внутреннее сопротивление Ro; максимальный температурный уход напряжения Uo и др. Порядок выбора параметров следующий:

1. Выбираем частоту преобразования F (до 100 кГц, для модели - единицы килогерц) и принимаем ориентировочно КПД=0,85...0,95.

2. Определяем минимальное и максимальное значения относительной длительности (коэффициента заполнения) импульса напряжения на входе фильтра:

3. Из условия сохранения режима непрерывности токов дросселя определяем его

минимальную индуктивность

4. Вычисляем произведение LC по заданному значению напряжения пульсации U„

откуда затем находим емкость конденсатора С.

Произведение LC определяет не только уровень пульсации, но и характер переходных процессов выходного напряжения после включения стабилизатора.

На рис. 12.19 показаны результаты моделирования схемы на рис. 12.18 при следующих данных: F=1 кГц, К,=0,5, Rn=100 Ом, L=200 мГн, С=100 мкФ (для рис. 12.19, а) и С=1 мкФ (для рис. 12.19, б). Как видно из рисунков, при сравнительно большом значении произведения LC переходная характеристика исследуемой схемы имеет колебательный характер, что приводит к скачкам выходного напряжения, которые могут оказаться опасными для потребителя (нагрузки).

Перейдем к рассмотрению следующего функционального узла ИСН - схемы управления и измерительного элемента. При этом целесообразно рассмотреть характеристики используемых в ИСН модуляторов.

Импульсные стабилизаторы с ШИМ по сравнению со стабилизаторами двух других типов имеют следующие преимущества:

О обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота преобразования независимо от напряжения первичного источника питания и тока нагрузки; частота пульсации на нагрузке является неизменной, что имеет существенное значение для ряда потребителей электроэнергии;

О реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИСН, что исключает опасность возникновения биений частот при питании нескольких ИСН от общего первичного источника постоянного тока. Кроме того, при работе ИСН на нерегулируемый преобразователь (например, усилитель мощности) возможна синхронизация частот обоих устройств.

Недостатком ИСН с ШИМ по сравнению со стабилизатором релейного типа является более сложная схема управления, содержащая обычно дополнительный задающий генератор.

Импульсные стабилизаторы с ЧИМ, не имея существенных преимуществ перед другими типами ИСН, обладают следующими недостатками:

О сложность реализации регуляторов частоты в широких пределах, особенно при больших изменениях напряжения питания и тока нагрузки;

О отсутствие возможности реализации отмеченных выше преимуществ системы регулирования с ШИМ.

Последний недостаток относится и к релейным (или двухпозиционным) ИСН, которые характеризуются также сравнительно большой пульсацией напряжения на нагрузке (в стабилизаторах с ШИМ или ЧИМ пульсации выходного напряжения принципиально могут быть сведены к нулю, что невозможно достичь в релейных стабилизаторах).

В общем случае блок 3 (рис. 12.20) содержит делитель напряжения, источник опорного напряжения ИОН, сравнивающий элемент и усилитель рассогласования. Эти элементы выполняют такие же функции, что и в компенсационных стабилизаторах. Для ИСН с ШИМ к этим устройствам добавляются формирователь синхронизирующего напряжения (задающий генератор) и пороговое устройство, с помощью которых осуществляется формирование модулированных по длительности импульсов. Изменение длительности управляющего импульса осуществляется модуляцией его переднего или заднего фронта.

При модуляции переднего фронта линейно изменяющееся напряжение синхронизации на каждом периоде нарастает, а при модуляции заднего фронта управляющее напряжение в каждом периоде уменьшается. При модуляции фронтов напряжение синхронизации на каждом периоде нарастает и спадает. Этот вид модуляции по сравнению с односторонней модуляцией позволяет реализовать более быстродействующие ИСН, так как в этом случае мгновенное значение управляющего напряжения влияет на формирование фронтов.

Коэффициент передачи схемы управления, устанавливающий связь между изменениями относительной длительности импульсов на входе сглаживающего фильтра и напряжения на нагрузке (для ШИМ), равен

коэффициенты передачи делителя напряжения и усилителя рассогласования соответственно; Uy - амплитуда синхронизирующего напряжения.

Полная схема ИСН с элементами ШИМ показана на рис. 12.20. Делитель напряжения выполнен на резисторах R3, R4, источник опорного напряжения - на резисторе R5 и стабилитроне VD2, усилитель сигнала рассогласования - на OU1, пороговое устройство - на OU2. Поскольку оба ОУ питаются от однополярного источника, для согласования уровней в ключевом каскаде на VT2 в эмиттерную цепь включен параметрический стабилизатор (VD3, R8). В качестве задающего использован функциональный генератор в режиме треугольных импульсов; при модуляции по переднему фронту коэффициент заполнения (Duty cycle) выбирается максимальным (99%), при модуляции по заднему фронту - минимальным (0,1%), при модуляции по обоим фронтам - 50%. На рис. 12.21 показан результат моделирования процесса формирования управляющих импульсов при модуляции по переднему фронту.

Приведенные на рис. 12.21 результаты получены при Rn=100 Ом и Ui = 20 В. Как видно из рис. 12.21, сразу после включения источника питания формируются импульсы управления максимальной длительности, затем наступает продолжительная пауза из-за положительного скачка выходного напряжения Uo, затем опять идетт форсированный режим из-за отрицательного скачка Uo. Установившийся режим формирования управляющего импульса наступает через несколько периодов управляющего сигнала задающего генератора.

Контрольные задания

1. Для схемы на рис. 12.18 получите зависимость Uo=f(K,) при F=1 кГц, Uy=3 В (однополярность управляющих прямоугольных импульсов обеспечивается установкой на функциональном генераторе постоянной составляющей Offset=3 В, коэффициент заполнения К. задается выбором параметра Duty cycle), Ui=30 В, Rn=100 Ом, L=100 мГн, С=100 мкФ.

2. Для схемы на рис. 12.18 исследуйте зависимость формы переходных процессов от активного сопротивления потерь Rd включая последовательно с дросселем сопротивление 0,1... 10 Ом.

3. Исследуйте ИСН по схеме рис. 12.20 при модуляции заднего фронта, одновременно по переднему и заднему фронту и сравните результаты по времени выхода устройств в установившийся режим.

4. Для каждого способа формирования управляющих сигналов в установившемся режиме получите зависимость периода формирования управляющих сигналов от сопротивления нагрузки Rn в диапазоне 10... 1000 Ом и входного напряжения Ui в диапазоне 15...40 В.

Использование различного рода техники в повседневной жизни –это непременный атрибут современного общества. Но далеко не все приборы рассчитаны на подключение к стандартной электросети на 220В. Многие из них потребляют энергию с напряжением от 1 до 25В. Для ее подачи используют специальное оборудование.

Однако его основная задача состоит не столько в понижении параметров на выходе, сколько в соблюдении стабильного их уровня в сети. Решить ее можно при помощи стабилизационного устройства. Но как правило такие приборы достаточно громоздки и не совсем удобны в применении. Лучший вариант – это импульсный стабилизатор напряжения. Он отличается от линейных не только габаритами, но и по принципу работы.

Что представляет собой импульсный стабилизатор

Прибор, состоящий из двух основных узлов:

• Интегрирующего;
• Регулировки.

На первом происходит накапливание энергии с последующей ее отдачей. Регулирующий блок подает ток и при необходимости выполняет прерывание этого процесса. Причем, в отличие от линейных моделей, в импульсных, этот элемент может находиться в замкнутом или разомкнутом состоянии. Иными словами, он работает как ключ.

Устройство импульсного прибора

Сфера применения таких приборов достаточно широка. Однако наиболее часто они используются в навигационном оборудовании, а также импульсный стабилизатор следует купить для подключения:

• ЖК телевизоров
• Источников питания, используемых в цифровых системах;
• Низковольтного промышленного оборудования.

Могут использоваться импульсные повышающие стабилизаторы напряжения и в сетях с переменным током для преобразования его в постоянный. Приборы этого класса также находят применение в качестве источников питания для мощных светодиодов, подзарядки аккумуляторов.

Как работает оборудование

Принцип действия устройства заключается в следующем. При замыкании регулирующего элемента происходит накопление энергии в интегрирующем. При этом происходит повышение напряжения. При размыкании ключа электричество постепенно отдается потребителям, приводя к снижению напряжения.

Смотрим видео, принцип работы прибора:

Столь простой способ функционирования прибора позволяет экономно расходовать электроэнергию, а кроме того дал возможность создать миниатюрный агрегат.

В качестве регулирующего элемента в нем могут использоваться следующие детали:

• Тиристор;
• Транзисторы.

В роли интегрирующих узлов прибора выступают:

• Дроссель;
• Батарея;
• Конденсатор.

Конструктивные особенности стабилизатора связаны со способом его работы. Различают устройства двух типов:

1. С триггером Шмитта.

Рассмотрим, чем отличаются эти две разновидности импульсных стабилизаторов напряжения.

Модели ШИМ

Модель ШИМ

Приборы этого типа, в конструктивном плане имеют некоторые отличия. Они состоят из двух основных элементов, а также:

1. Генератора;
2. Модулятора;
3. Усилителя.

Их работа имеет прямую зависимость от величины напряжения на входе, а также скважности импульсов.

При размыкании ключа происходит переход энергии в нагрузку и в работу включается усилитель. Он сравнивает значения напряжения и определив разницу между ними передает усиление на модулятор.

Конечные импульсы должны иметь отклонение скважности, которое пропорционально выходным параметрам. Ведь от них зависит положение ключа. При конкретных значения скважности он размыкается или замыкается. Поскольку главную роль в работе прибора играют импульсы, то они и дали ему название.

Приборы с триггером Шмитта

Этот тип импульсных стабилизаторов напряжения отличается минимальным набором элементов. Главная роль в нем отведена триггеру, в состав которого включен компаратор. Задача этого элемента – сравнение значения выходного напряжения с максимально допустимым.

Смотрим видео принцип работы прибора с триггером Шмитта:

Работа прибора заключается в следующем. При превышении максимального напряжения происходит переключение триггера в нулевую позицию с размыканием ключа. Одновременно происходит разрядка дросселя. Но как только напряжение достигнет минимального значения происходит переключение с 0 на 1. Это приводит к замыканию ключа и поступлению тока в интегратор.

Хотя такие устройства и отличаются довольно простой схемой применять их можно только на отдельных направлениях. Объясняется это тем, что импульсные стабилизаторы напряжения могут быть понижающими или повышающими.

Классификация приборов

Подразделение приборов на типы осуществляется по различным критериям. Так по соотношению напряжения на входе и выходе различают следующие виды устройств:

• Инвертирующие;
• Произвольно изменяющие напряжение.

В качестве ключа могут использоваться такие детали, как:

• Транзисторы;
• Тиристоры.

Кроме этого существуют отличия и в самой работе импульсных стабилизаторов постоянного напряжения. Исходя из этого они классифицируются на модели, функционирующие на:

1. На основе широтно-импульсной модуляции;
2. Двухпозиционные.

Достоинства и недостатки стабилизаторов

Модульный стабилизатор

Как и любое другое устройство модульный стабилизатор не является идеальным. Он имеет свои плюсы и минусы, о которых следует знать. К достоинствам прибора относятся:

• Легкое достижение стабилизации;
• Высокий КПД;
• Выравнивание напряжения в широком диапазоне;
• Устойчивые выходные параметры;
• Компактные габариты;
• Мягкое включение.

К недостаткам устройства относится в первую очередь сложное конструктивное исполнение. Наличие в нем большого количества специфических элементов не позволяет добиваться высокой надежности. Кроме того, минусом импульсного стабилизатора постоянного напряжения является:

• Создание большого числа частотных помех;
• Сложность выполнения ремонтных работ;
• Потребность в применении устройств, компенсирующих коэффициент мощности.

Допустимый диапазон частот

Работа этого устройства возможна при достаточно высокой частоте преобразования, что является его главным отличием от приборов с сетевым трансформатором. Повышение этого параметра позволило добиться минимальных габаритов.

Для большинства моделей диапазон частот может составлять от 20 до 80 кГц. Однако выбирая как ключевые, так и ШИМ-приборы нужно учитывать высшие гармоники токов. При этом верхнее значение параметра имеет определенные ограничения, соответствующие требованиям, предъявляемым к радиочастотной аппаратуре.

Применение устройств в сетях переменного тока

Приборы этого класса способны преобразовывать постоянный ток на входе в такой же на выходе. Если предполагается использовать их в сети переменного тока, то потребуется установка выпрямителя и сглаживающего фильтра.

Однако следует знать, что с ростом напряжения на входе устройства уменьшается выходной ток и наоборот.

Возможно с использованием мостового выпрямителя. Но в таком случае он будет источником нечетных гармоник и для достижения необходимого коэффициента мощности потребуется использование конденсатора.

Обзор производителей

Выбирая стабилизатор, обращают внимание не только на его технические характеристики, но и на конструктивные особенности. Важна и марка производителя. Вряд ли будет иметь высокое качество прибор, изготовленный не известной широкому кругу покупателей фирмой.

Продукция Smartmodule

Поэтому большинство потребителей предпочитают выбирать модели, принадлежащие популярным брендам, таким как:

• Hobbywing;
• Smartmodule.

Продукция этих компаний отличается высоким качеством, надежностью и рассчитана на длительный срок службы.

Заключение

Использование бытовой техники и других электроприборов стало неотъемлемым условием комфортной жизни. Но для того, чтобы ваши устройства не выходили из строя при нестабильной работе электросетей, стоит заранее подумать о приобретении стабилизатора. Какую модель выбрать зависит от параметров используемого оборудования. Если предполагается подключение современных ЖК телевизоров, мониторов и аналогичных устройств, то идеальный вариант – это импульсный стабилизатор.

В стабилизаторах с ШИМ в качестве импульсного элемента используется генератор, время импульса или паузы которого изменяются в зависимости от постоянного сигнала, поступающего на вход импульсного элемента с выхода схемы сравнения.

Принцип действия стабилизатора с ШИМ заключается в следующем. Постоянное напряжение от выпрямителя или аккумуляторной батареи подается на регулирующий транзистор, а затем через фильтр на выход стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора сравнивается с опорным напряжением, а затем сигнал разности подается на вход устройства, преобразующего сигнал постоянного тока в импульсы определенной длительности, причем последняя изменяется пропорционально сигналу разности между опорным и измеряемым напряжением. С устройства, преобразующего постоянный ток в импульсы, сигнал поступает на регулирующий транзистор; последний периодически переключается и среднее значение напряжения на выходе фильтра зависит от соотношения между временем нахождения транзистора в открытом и закрытом состоянии (от ширины импульса - отсюда название данного вида модуляции), причем частота следования импульсов ШИМ постоянна. При изменении напряжения на выходе стабилизатора изменяется сигнал постоянного тока, следовательно, и ширина (длительность) импульса (при постоянном периоде); в результате среднее значение выходного напряжения возвращается к первоначальному значению.

В стабилизаторах с ЧИМ при изменении сигнала на выходе импульсного элемента изменяется длительность паузы, а длительность импульса остается неизменной. При этом, в отличие от стабилизаторов с ШИМ, частота переключения регулирующего транзистора зависит от изменения тока нагрузки и выходного напряжения, а значит, является изменяющейся, непостоянной величиной - отсюда и название данного вида модуляции. Принцип действия таких стабилизаторов аналогичен принципу действия стабилизаторов с ШИМ. Изменение выходного напряжения стабилизатора вызывает изменение паузы, что приводит к изменению частоты импульсов и среднее значение выходного напряжения остается неизменным.

Принцип действия релейных или двухпозиционных стабилизаторов несколько отличается от принципа действия стабилизаторов с ШИМ. В релейных стабилизаторах в качестве импульсного элемента применяется триггер, который в свою очередь управляет регулирующим транзистором. При подаче постоянного напряжения на вход, стабилизато­ра в первый момент регулирующий транзистор открыт и напряжение на выходе стабилизатора увеличивается, при этом соответственно растет сигнал на выходе схемы срав­нения. При определенном значении выходного напряжения сигнал на выходе схемы сравнения достигает значения, при котором триггер срабатывает, закрывая при этом ре­гулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабили­затора начинает уменьшаться, что вызывает уменьшение сигнала на выходе схемы сравнения. При определенном значении сигнала на выходе схемы сравнения триггер вновь срабатывает, открывает регулирующий транзистор и на­пряжение на выходе стабилизатора начинает увеличивать­ся; оно будет расти до тех пор, пока триггер вновь не за­кроет регулирующий транзистор, и, таким образом, процесс повторяется.

Изменение входного напряжения или тока нагрузки стабилизатора приведет к изменению времени открытого состояния регулирующего транзистора и к изменению час­тоты его переключений, а среднее значение выходного на­пряжения будет поддерживаться (с определенной степенью точности) неизменным. Таким образом, как и в стабилиза­торах с ЧИМ, в релейных стабилизаторах частота пере­ключений регулирующего транзистора непостоянна.

Достоинства и недо­статки описанных стабилизаторов.

1.Пульсации выходного напряжения в стабилизаторах с ШИМ и ЧИМ в принципе могут вообще отсутствовать, так как импульсный элемент управляется постоянной составляющей сигнала схемы уп­равления; в релейных стабилизаторах пульсации выходно­го напряжения принципиально должны иметь место, так как периодическое переключение триггера возможно толь­ко при периодическом изменении выходного напряжения.

Одним из основных недостатков стабилизаторов с ШИМ и ЧИМ по сравнению с релейными является их меньшее быстродействие.

При работе с множеством различных технологий часто стоит вопрос: как управлять мощностью, которая доступна? Что делать, если её необходимо понизить или повысить? Ответом на эти вопросы служит ШИМ-регулятор. Что он собой представляет? Где применяется? И как самому собрать такой прибор?

Что такое широтно-импульсная модуляция?

Без выяснения значения этого термина продолжать не имеет смысла. Итак, широтно-импульсная модуляция — это процесс управления мощностью, которая подводится к нагрузке, осуществляемая путём видоизменения скважности импульсов, которая делается при постоянной частоте. Существует несколько типов широтно-импульсной модуляции:

1. Аналоговый.

2. Цифровой.

3. Двоичный (двухуровневый).

4. Троичный (трехуровневый).

Что такое ШИМ-регулятор?

Теперь, когда мы знаем, что такое широтно-импульсная модуляция, можно поговорить и о главной теме статьи. Используется ШИМ-регулятор для того, чтобы регулировать напряжение питания и для недопущения мощных инерционных нагрузок в авто- и мототехнике. Это может звучать слишком сложно и лучше всего пояснить на примере. Допустим, необходимо сделать, чтобы лампы освещения салона меняли свою яркость не сразу, а постепенно. Это же относится к габаритным огням, автомобильным фарам или вентиляторам. Воплотить такое желание можно путём установки транзисторного регулятора напряжения (параметрический или компенсационный). Но при большом токе на нём будет выделяться чрезвычайно большая мощность и потребуется установка дополнительных больших радиаторов или дополнение в виде системы принудительного охлаждения с использованием маленького вентилятора, снятого с компьютерного устройства. Как видите, данный путь влечёт за собой много последствий, которые необходимо будет преодолеть.

Настоящим спасением из данной ситуации стал ШИМ-регулятор, который работает на мощных полевых силовых транзисторах. Они могут коммутировать большие токи (которые достигают 160 Ампер) при напряжении всего в 12-15В на затворе. Следует отметить, что сопротивление у открытого транзистора довольное мало, и благодаря этому можно заметно снизить уровень рассеиваемой мощности. Чтобы создать свой собственный ШИМ-регулятор, понадобится схема управления, которая сможет обеспечить разность напряжения между истоком и затвором в границах 12-15В. Если этого не получится достичь, то сопротивление канала будет сильно увеличиваться и значительно возрастёт рассеиваемая мощность. А это, в свою очередь, может привести к тому, что транзистор перегреется и выйдет из строя.

Выпускается целый ряд микросхем для ШИМ-регуляторов, которые смогут выдержать повышение входного напряжения до уровня 25-30В, при том, что питание будет всего 7-14В. Это позволит включать выходной транзистор в схеме вместе с общим стоком. Это, в свою очередь, необходимо для подключения нагрузки с общим минусом. В качестве примеров можно привести такие образцы: L9610, L9611, U6080B ... U6084B. Большинство нагрузок не потребляет ток больше 10 ампер, поэтому они не могут вызвать просадку напряжения. И как результат - использовать можно и простые схемы без доработки в виде дополнительного узла, который будет повышать напряжение. И именно такие образцы ШИМ-регуляторов и будут рассмотрены в статье. Они могут быть построены на основе несимметрического или ждущего мультивибратора. Стоит поговорить про ШИМ-регулятор оборотов двигателя. Об этом далее.

Схема №1

Эта схема ШИМ-регулятора собиралась на инверторах КМОП-микросхемы. Она является генератором прямоугольных импульсов, который действует на 2-х логических элементах. Благодаря диодам здесь отдельно изменяется постоянная времени разряда и заряда частотозадающего конденсатора. Это позволяет менять скважность, которую имеют выходные импульсы, и как результат - значение эффективного напряжения, которое есть на нагрузке. В данной схеме возможно использование любых инвертирующих КМОП-элементов, а также ИЛИ-НЕ и И. В качестве примеров подойдут К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛА7, К561ЛЕ5. Можно использовать и другие виды, но перед этим придётся хорошо подумать о том, как правильно сгруппировать их входы, чтобы они могли выполнять возложенный функционал. Преимущества схемы - доступность и простота элементов. Недостатки - сложность (практически невозможность) доработки и несовершенство относительно изменения диапазона выходного напряжения.

Схема №2

Обладает лучшими характеристиками, нежели первый образец, но сложнее в выполнении. Может регулировать эффективное напряжение на нагрузке в диапазоне 0-12В, до которого изменяется с начального значения 8-12В. Максимальный ток зависит от типа полевого транзистора и может достигать значительных значений. Учитывая, что выходное напряжение является пропорциональным входному управляющему, данную схему можно использовать как часть системы регулирования (для поддержки уровня температуры).

Причины распространения

Чем привлекает автолюбителей ШИМ-регулятор? Следует отметить стремление к увеличению КПД, когда проводится построение вторичных для электронной аппаратуры. Благодаря данному свойству можно данную технологию найти также при изготовлении компьютерных мониторов, дисплеев в телефонах, ноутбуках, планшетах и подобной техники, а не только в автомобилях. Также следует отметить значительную дешевизну, которой отличается данная технология при своём использовании. Также, если решите не покупать, а собирать ШИМ-регулятор собственноручно, то можно сэкономить деньги при усовершенствовании своего собственного автомобиля.

Заключение

Что ж, вы теперь знаете, что собой представляет ШИМ-регулятор мощности, как он работает, и даже можете сами собрать подобные устройства. Поэтому, если есть желание поэкспериментировать с возможностями своего автомобиля, можно сказать по этому поводу только одно - делайте. Причем можете не просто воспользоваться представленными здесь схемами, но и существенно доработать их при наличии соответствующих знаний и опыта. Но даже если всё не получится с первого раза, то вы сможете получить очень ценную вещь - опыт. Кто знает, где он может в следующий раз пригодиться и насколько важным будет его наличие.

Данная схема представляет собой понижающий регулятор с возможностью регулировки и защиты или ограничения тока. Особенностью устройства является применение в силовой части биполярного транзистора со статической индукцией (БСИТ) и микросхемы TL494 с двумя операционными усилителями. ОУ используются в цепи обратной отрицательной связи регулятора, обеспечивая оптимальный режим работы.

Рабочие параметры регулятора:

• номинальное питающее напряжение – 40…45В;
• диапазон регулируемого напряжения на выходе – 1…30В;
• частота ШИМ – регулятора – 40 кГц;
• сопротивление выходной цепи регулятора – 0,01Ом;
• длительный максимальный ток на выходе – 8А.

Схема стабилизатора представлена на рисунке 1. Сглаживающий фильтр из конденсаторов С16-18, накопительная индуктивность L1, диод – разрядник VD6, ключ VT1 составляют силовую цепь устройства. Построение силовой цепи классическое, отличием являются дополнительные элементы C5, VDD1, R7, VT2, предназначенные для обеспечения безопасной работы силового ключа (VT1).Трансформатор Т2 позволяет снизить скорость возрастания тока при открытии ключа VT1. Накопленная при закрытии ключа энергия уходит на вход схемы через правую часть диодной сборки VD1. Емкость С5 предназначена для снижения скорости нарастания напряжения на ключе. Установка элементов цепи ОБР оптимизирует режим работы ключевого транзистора, снижая тепловые потери и ударные нагрузки. Защиту ключа VT1 от воздействия обратного тока через цепь С5Т2 обеспечивает расположенный слева диод VD1.

Рисунок 1

Управляющий сигнал на затвор ключа поступает через разделительный трансформатор Т1, первичная обмотка которого включена в цепь коллектора транзистора Т2. Элементы R1, VD2, VD3 предназначены для ограничения всплесков обратного напряжения затвора ключа. Эмиттер VT2 через ограничительный резистор R8 подключен к выводам 8 и 10 микросхемы DA1 (коллекторы выходных транзисторов). Ограничительный резистор позволяет подобрать оптимальную величину тока затвора ключа VT1.

Управление работой схемы выполнено на специально предназначенной микросхеме TL494. Принцип подключения классический, выводы 7 и 13 соединены, однотактный режим. Для возможности работать с минимальным напряжением, на выводе 2 задано делителем опорное напряжение примерно 0,9В. Напряжение на 4 ножке определяет максимальную величину скважности вырабатываемых импульсов. Амплитудно — частотная характеристика контура корректируется время задающими цепочками C12R14, C11R13. Частота генерации задается цепочкой C14R21. Отрицательная обратная связь по напряжению устанавливается элементами VD8, R20, R25, R24. Напряжение на выходе стабилизатора устанавливается переменным сопротивлением R24. Контроль по силе тока выполняется по падению напряжения на резисторах R5, R4, установленных параллельно. Сигнал с них поступает на 2-ой операционный усилитель управляющей микросхемы (контакты16,15). Ограничение максимального тока на выходе устройства настраивается сопротивлением R19.

ОУ микросхемы DA2 предназначен для защиты устройства при выходном токе, превышающим максимально допустимый. Входы ОУ DA1 и ОУ DA2 подключены к датчику тока на резисторах R5,R4. При повышении падения напряжения на датчике на выходе компаратора появится высокое напряжение. Через замкнутый контакт SA1 образуется цепочка обратной положительной связи, высокое напряжение будет поддерживать в этом состоянии ОУ DA2 и заблокирует работу DA1 через вход 16.

Переключатель SA1 в разомкнутом состоянии обеспечивает работу устройства с ограничением максимального тока. Светодиод HL1 загорается при отключении нагрузки или при ограничении тока.

Питание управляющей части схемы обеспечивает стабилизирующая цепочка из элементов C6-10, C4,C3, R3,R2, VD5, VD4, VT2.

Устройство собрано на плате из стеклотекстолита с фольгой на одной стороне. Выносные детали:

• выключатель SA1;
• светодиод HL1;
• регулятор напряжения

Все дорожки, предназначенные для силовой части схемы, следует дополнительно усилить медным проводом сечением не менее 1мм 2 . Детали можно использовать российского производства или их зарубежные аналоги. Площадь теплоотвода для ключевого транзистора и диодной сборки VD1 не менее 370 см 2 , для VD6 – не менее130см 2 .