Мощный шим стабилизатор напряжения. Импульсный стабилизатор с регулировкой по напряжению

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.

Использование схем сдвига уровня позволяет ШИМ-контроллеру управлять напряжением выше, чем его собственное напряжение питания.

Наиболее часто используемым импульсным стабилизатором является понижающий преобразователь напряжения, который эффективно преобразует высокое напряжение в низкое напряжение. На рис. 1 показана типичная схема понижающего преобразователя напряжения, в которой для затвора N-канального MOSFET-транзистора, Q 1 , требуется плавающее управляющее напряжение. Буфер сигнала с плавающим уровнем является частью ИС ШИМ (широтно-импульсная модуляция) контроллера. Транзистор Q 1 может быть как с N- так и с P-каналом, в зависимости от особенностей изготовления контроллера. В любом случае, напряжение питания ИС должно быть не ниже входного напряжения, что накладывает серьезные ограничения на величину входного напряжения в данной схеме.

В схеме на рис. 2 используется простейший каскад сдвига уровня, который позволяет управлять проходным транзистором понижающего преобразователя при помощи микросхемы контроллера с низким напряжением питания. Поскольку схема сдвига уровня изолирует ИС ШИМ от источника высокого напряжения, то по такому принципу можно строить преобразователи с произвольно большим входным напряжением.

ИС ШИМ с драйверами нижнего плеча может управлять N-канальными MOSFET-транзисторами, поскольку они имеют положительное управляющее напряжение между истоком и затвором. В схеме на рис. 2 используется P-канальный транзистор, как MOSFET-транзистор верхнего плеча; и для него управляющее напряжение между истоком и затвором должно быть отрицательным. Поэтому, следует инвертировать выходной сигнал от ШИМ-контроллера. Конфигурация ключа из комплементарных MOSFET-транзисторов Q 2 и Q 3 будет работать при любом типе проходного транзистора, хотя можно использовать и инвертирующий драйвер.

Конденсатор C 2 осуществляет сдвиг уровня. Его величина должна быть достаточно большой, чтобы удерживать заряд на частоте преобразования, но достаточно маленькой, чтобы, напряжение на нем следовало за изменениями входного напряжения. Через резистор R 1 и P-канальный MOSFET-транзистор Q 3 конденсатор C 2 заряжается до напряжения

V C =V IN -V CC ,

где V C - напряжение на C 2 , V IN - входное напряжение, и V CC напряжение питания комплементарной пары Q 2 и Q 3 и ИС ШИМ. Напряжение питания должно быть меньше, чем напряжение стабилизации стабилитрона D 2 . В противном случае, в те моменты, когда транзистор Q 2 будет находиться в открытом состоянии, через стабилитрон D 2 и конденсатор C 2 , что приведет к снижению КПД схемы. Стабилитрон D 2 ограничивает напряжение на C 2 до значения, получаемого из приведенной выше формулы. Когда транзистор Q 3 открыт, стабилитрон D 2 становится прямосмещенным, если напряжение пытается увеличиваться. Напряжение между истоком и затвором транзистора Q 1 в этой схеме равно 0 В, когда открыт транзистор Q 3 , и -V CC , когда открыт транзистор Q 2 .

Резистор R 1 гарантирует, что емкость затвор-исток транзистора Q 1 будет разряжаться, что позволит транзистору Q 1 оставаться в выключенном состоянии, когда на выходе буферного каскада присутствует высокое выходное напряжение. Стабилитрон D 2 ограничивает напряжение между истоком и затвором транзистора Q 1 на уровне 12 В, независимо от входного напряжения стабилизатора. Конденсатор C 2 сглаживает пульсации напряжения на затворе транзистора Q 1 , поэтому параметры схемы управления затвором будут такие же, как и параметры самой схемы комплементарного ключа. Поэтому, схема сдвига уровня не налагает никаких ограничений на используемый MOSFET-транзистор.

На рис. 3 изображена практическая схема понижающего преобразователь напряжения, использующего рассмотренный принцип управления проходным транзистором. Входное напряжение преобразователя может находиться в диапазоне от 18 В до 45 В, при выходном напряжении 12 В и максимальном токе нагрузки 1,5 А. В преобразователе использована микросхема LM5020-1 прямо- и обратноходового ШИМ-контроллера компании National Semiconductor.

На рассматриваемой схеме имеются все те же компоненты, что и на предыдущих схемах, но добавлены еще некоторые функции, такие как: фильтрация входного напряжения конденсатором C 9 ; ограничение бросков входного напряжения резисторами R 2 и R 7 ; обеспечение мягкого запуска с помощь конденсатора C 3 ; возможность регулировки частоты преобразования резистором R3 (для частоты 500 кГц его значение будет составлять 12.7 кΩ); компенсация обратной связи конденсаторами C 7 , C 8 , и резистором R 6 ; и подстройка значения выходного напряжения резисторами R 9 и R 10 .

Микросхема LM5020-1 предназначена для работы в режиме токового управления, но, в этой схеме, работает в режиме управления напряжения. Внутренний источник образцового тока с пиковым значением 50 А, который компенсирует нелинейность токового сигнала, используется для генератора пилообразного напряжения. Этот ток, протекая через резистор R 4 , сопротивлением 5.11 кΩ и внутренний резистор сопротивлением 2 кΩ, служит для генерации пилообразного сигнала, с напряжением от пика до пика (50 ´А×2 кΩ+5.11 кΩ)≈300 мV на выходе CS (вывод 8). На выводе COMP, (вывод 3), этот пилообразный сигнал сравнивается с выходным напряжением ошибки с вывода COMP, в результате чего генерируется сигнал с необходимой шириной импульса для управления проходным транзистором Q 1 .

На рис. 4 показаны эпюры напряжений для рассматриваемой схемы. Канал 1 осциллографа (верхний график) показывает управляющий сигнал, который генерирует микросхема LM5020-1. Канал 2 (средний график) показывает соответствующее напряжение на выходе двухтактного буферного каскада. Канал 3 (нижний график) сдвинутое по уровню выходное напряжение двухтактного каскада, приложенное между затвором и истоком транзистора Q 1 . Пиковое значение напряжения исток-сток транзистора Q 1 равно входному напряжению, и его амплитуда на 8 В превышает, значение управляющего сигнала, который выдает микросхема LM5020-1. Все сигналы чистые и имеют малое время нарастания и спада. КПД данной схемы составляет 86% и 83% при входном напряжении 18 В и 45 В, соответственно.

Вашему вниманию представлена схема , собранная на основе таймера NE 555 (отечественный аналог КР1006ВИ1).

Рис. 1 Схема ШИМ стабилизатора напряжения

Принципиальная схема стабилизатора приведена на рис.1. Генератор на DA1 (NE 555 ), аналогичный описанному в , работает по фазо-импульсному принципу, т.к. ширина импульса остается неизменной и равной сотням микросекунд, а изменяется только расстояние между двумя импульсами (фаза). В связи с малым потребляемым током микросхемы (5...10 мА), я почти в 5 раз увеличил сопротивление R4, что облегчило его тепловой режим. Ключевой каскад на VT2, VT1 собран по схеме “общий эмиттер - общий коллектор”, что свело до минимума падение напряжения на VT1. В усилителе мощности применено всего 2 транзистора, т.к. высокий выходной ток микросхемы (согласно равный 200 мА) позволяет непосредственно управлять мощными транзисторами без эмиттерного повторителя. Резистор R5 необходим для исключения сквозного тока через переходы эмиттер-база VT1 и коллектор-

Рис.2

эмиттер VT2, которые у открытых транзисторов включены как два диода. Из-за сравнительно малого быстродействия данной схемы пришлось понизить частоту генератора (увеличив емкость С1). Входное напряжение должно быть максимально возможным, но не превышать 40...50 В. Сопротивление резистора R8 можно вычислить по формуле

Так, если входное напряжение равно 40 В, а на выходе оно должно изменяться в пределах 0...25 В, то сопротивление R8 примерно равно 6 кОм. Наиболее существенный недостаток импульсных стабилизаторов по сравнению с линейными заключается в том, что из-за импульсного режима работы на выходе наблюдается высокий коэффициент пульсаций (“свист”), уничтожить который очень трудно. Можно посоветовать последовательно с фильтром L1-C3 включить еще один аналогичный фильтр.

Наиболее существенное преимущество данной схемы - высокий КПД, и при токе нагрузки до 200 мА радиатор на VT1 не нужен. Чертеж печатной платы стабилизатора приведен на рис.2. Плата с помощью припаянного к ней транзистора VT1 крепится к радиатору, однако ее можно прикрепить к шасси и отдельно от транзистора. Длина соединяющих проводов в этом случае не должна превышать 10...15 см. Резистор R7

Импортный, переменный, вместо него можно использовать подстроечный или переменный, который располагается вне платы. Длина проводов в этом случае не критична. Дроссель L1 намотан на кольце с внешним диаметром 10...15 мм проводом d=0,6...0,8 мм до заполнения, дроссель дополнительного фильтра - тем же проводом на катушке от трансформатора, число витков должно быть максимальным. Транзистор VT2 - любой средней мощности (КТ602, КТ817Б...Г).
Конденсатор С1 -лучше пленочный (с малой утечкой). Дроссель L1 желательно залить парафином, т.к. он довольно громко “свистит”.

А.КОЛДУНОВ