Импульсный стабилизатор напряжения — это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме^[1], то есть большую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением, а значит может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопления им энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.

Разновидности

По соотношению входного и выходного напряжения

• Понижающие
• Повышающие
• С произвольным изменением напряжения
• Инвертирующие

По типу ключевого элемента

• На полевых транзисторах
• На тиристорах
• На биполярных транзисторах

Интегрирующим элементом может быть

• Дроссель
• Конденсатор
• Аккумулятор

В зависимости от режима работы могут быть стабилизаторы

• на основе широтно-импульсной модуляции
• двухпозиционные (или релейные)

Принцип действия

Важнейшими элементами импульсного источника питания являются ключ — устройство, способное за короткое время изменить сопротивление прохождению тока с минимального на максимальное, и наоборот, и интегратор, напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку. Простейшим примером такого элемента может служить конденсатор, перед которым включено некоторое ненулевое сопротивление (в качестве которого может служить, к примеру, внутреннее сопротивление источника питания)^{[замечание 1]}.

ШИМ

На рисунке изображена функциональная схема импульсного стабилизатора на основе широтно-импульсной модуляции. Входное напряжение U_i через ключ (1) поступает на интегратор (2). Интегратор накапливает энергию, подаваемую с ключа и отдаёт её в нагрузку, когда ключ разомкнут. В результате на выходе имеем усреднённое значение напряжения, которое зависит от входного напряжения и скважности импульсов с небольшой пульсацией, зависящей от частоты генератора и ёмкости конденсатора. Это напряжение с помощью операционного усилителя (4) сравнивается с опорным напряжением с эталона (6). Разница между ними поступает на модулятор (3). Модулятор преобразует импульсы генератора (5) в прямоугольные импульсы, скважность которых зависит от разности между опорным и выходным напряжением. Обычно генератор выдаёт треугольные или пилообразные импульсы, которые преобразуются в прямоугольные с помощью порогового элемента с регулируемым порогом срабатывания. Импульсы с выхода модулятора управляют замыканием и размыканием ключа (1).

Ключевой

Несколько иначе устроен ключевой стабилизатор напряжения (называемый также релейным или стабилизатором с двухпозиционным регулированием^[2]). В нём также входное напряжение поступает через ключевой элемент (1) на накопитель (2), а выходное сравнивается с опорным в ОУ (4). Однако разность между ними подаётся на триггер Шмитта (3). Как только выходное напряжение превышает опорное на определённую величину U₁, триггер Шмитта открывается и закрывает ключ (1). Накопитель разряжается, пока напряжение на нём не упадёт ниже некоторой величины U₂, после чего ключ снова открывается и процесс повторяется.

Такой стабилизатор проще по конструкции, однако частота замыкания\размыкания ключа в нём непостоянна, что не всегда удобно. Кроме того, при двухпозиционном регулировании возможно использование не всех видов преобразований: например невозможно использование описанного ниже повышающего преобразователя.

Примечание

1. ↑ Конденсатор взят для наглядности, но в реальных схемах КПД такого преобразователя мал, и не превышает КПД линейных регуляторов, т.к. много энергии рассеивается на упомянутом сопротивлении, или излучается в виде электромагнитной энергии (см "Two Capacitors Paradox"). Схемы, позволяющие достичь более высокого КПД описаны ниже.

Преобразователи на основе дросселя

Стабилизаторы с ёмкостным накопителем не получили широкого распространения, так как они хорошо работают только при достаточно большом внутреннем сопротивлении первичного источника. Такая ситуация возникает достаточно редко, т. к. внутреннее сопротивление источников питания стараются уменьшить, для отдачи большей мощности в нагрузку и меньших потерь энергии в источнике (например, внутреннее сопротивление бытовой сети электроснабжения в жилых помещениях составляет обычно от 0,05 Ом до 1 Ом). При работе от источника с маленьким внутренним сопротивлением в качестве накопителя энергии целесообразно использовать дроссель, либо более сложные комбинации дросселей и конденсаторов. Рассмотрим некоторые простые разновидности преобразователя.

Преобразователь с понижением напряжения

Кроме ключа S и дросселя L содержит диод D и конденсатор C. Когда ключ S замыкается, ток от источника течёт через дроссель L и нагрузку. ЭДС самоиндукции дросселя приложена обратно напряжению источника тока. В результате напряжение на нагрузке равно разности напряжения источника питания и ЭДС самоиндукции дросселя, ток через дроссель растёт, как и напряжение на конденсаторе C и нагрузке. При разомкнутом ключе S ток продолжает протекать через дроссель в том же направлении через диод D и нагрузку, а также конденсатор C. ЭДС самоиндукции приложена к нагрузке R через диод D, ток через дроссель постепенно уменьшается, как и напряжение на конденсаторе C и на нагрузке^[3].

Преобразователь с повышением напряжения

В этом преобразователе ключ установлен после дросселя. Когда ключ замкнут, ток от источника протекает через дроссель L, ток через него увеличивается, в нём накапливается энергия. При размыкании ключа ток от источника течёт через дроссель L, диод D и нагрузку. Напряжение источника и ЭДС самоиндукции дросселя приложены в одном направлении и складываются на нагрузке. Ток постепенно уменьшается, дроссель отдаёт энергию в нагрузку. Пока ключ замкнут, нагрузка питается напряжением конденсатора C. Диод D не даёт ему разрядиться через ключ S^[4].

Возможно также совмещение этой схемы с предыдущей, что позволяет произвольно изменять величину выходного напряжения: как повышать, так и понижать. Для этого перед дросселем устанавливаются диод и ключ, как в предыдущей схеме.

Инвертирующий преобразователь

В нём дроссель подключен параллельно источнику и нагрузке. Когда ключ S замкнут, ток от источника течёт через дроссель и быстро растёт. Когда ключ размыкается, ток продолжает течь через нагрузку R и диод D. ЭДС самоиндукции дросселя приложена в обратную сторону, по сравнению с напряжением источника. Поэтому напряжение к нагрузке также приложено в обратном направлении. Когда ключ S замкнут — диод D закрывается, а нагрузка питается зарядом конденсатора C^[5].

Во всех трёх схемах диод D может быть заменён на ключ^[6], замыкаемый в противофазе к основному ключу. Во многих случаях, особенно в низковольтных стабилизаторах, это позволяет увеличить КПД. Такую схему называют синхронным выпрямителем см. синхронное выпрямление (англ.)

Другие разновидности

Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения, использующихся в стабилизаторах. Например, такие преобразователи, как Обратноходовый преобразователь и Двухтактный преобразователь имеют индуктивную развязку выходных цепей, что позволяет питать с их помощью устройства, для которых недопустима гальваническая связь с питающей сетью.

Резонансный преобразователь имеет наилучшие условия работы ключей, что позволяет строить на его основе преобразователи большой мощности (до десятков киловатт) с достаточно высоким КПД.^[7][8] Однако его недостатком является сложность проектирования, что мешает его широкому распространению.

Квазирезонансный преобразователь обладает значительно более высоким КПД по сравнению с широтно-импусными модуляторами, благодаря чему обеспечивается минимальное энергопотребление в дежурном режиме и низкое тепловыделение в рабочем. Выходное напряжение БП регулируется за счет изменения частоты работы преобразователя.^[9]

Особенности использования

Фильтрация импульсных помех

Импульсный стабилизатор напряжения является источником высокочастотных помех в связи с тем, что содержит ключи, коммутирующие ток^[10]. Сложно подобрать такой режим работы ключей, чтобы коммутация происходила в моменты, когда через ключ не протекает ток при размыкании, или на ключе нулевое напряжение при замыкании. Поэтому в моменты коммутации возникают довольно значительные броски напряжения и тока, распространяющиеся как на вход, так и на выход стабилизатора. Для поглощения помех помехоподавляющие фильтры устанавливаются как на входе, так и на выходе стабилизатора.

Использование в сетях переменного тока

Рассмотренные импульсные преобразователи напряжения преобразуют постоянный ток на входе в постоянный ток на выходе. Для питания устройств от сети переменного тока необходимо устанавливать на входе выпрямитель и сглаживающий фильтр. Стоит отметить, что импульсный стабилизатор напряжения под нагрузкой имеет отрицательное дифференциальное сопротивление: при повышении напряжения на входе для сохранения выходного напряжения уменьшается входной ток, и наоборот. Если подключить такой стабилизатор через мостовой выпрямитель в сеть переменного тока, он станет источником нечётных гармоник^[11]. Поэтому, чтобы обеспечить достаточный коэффициент мощности, требуется компенсатор.

Гальваническая развязка

Стоит отметить некоторые особенности импульсных стабилизаторов с точки зрения гальванической развязки цепей:

• Существование импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой позволяет отказаться от низкочастотного сетевого трансформатора — необходимую гальваническую развязку будет осуществлять высокочастотный трансформатор, который работает на частоте десятков-сотен килогерц, и следовательно его габариты значительно меньше, чем обычного силового сетевого трансформатора работающего на промышленной частоте 50 Гц.
• Озвученное выше решение предполагает наличие относительно большого количества элементов, установленных до развязывающего трансформатора, а значит гальванически связанных с входными цепями. Эта часть, гальванически связанная с электрической сетью, обычно выделяется на платах либо штриховкой, либо чертой на слое сеткографической маркировки, или даже особой окраской, которая предупреждает человека о потенциальной опасности прикосновения к частям, расположенным в ней. Импульсные блоки питания в составе других приборов (телевизоров, компьютеров) закрываются защитными крышками, снабжёнными предупреждающими надписями. Если при ремонте импульсного блока питания необходимо включить его со снятой крышкой, рекомендуется включать его через развязывающий трансформатор или УЗО.
• Обратная связь в импульсных стабилизаторах также требует развязки. Для этой цели применяют либо отдельную обмотку на трансформаторе, с которой снимается напряжение для сравнения с опорным, либо напряжение снимается с выхода блока питания, а развязка управляющих цепей осуществляется с помощью оптрона.
• Часто помехоподавляющие фильтры на входе импульсных блоков питания соединяются с корпусом прибора. Это делается в том случае, если предполагается подключение защитного заземления корпуса. Если защитным заземлением пренебрегли, то на корпусе прибора образуется потенциал относительно земли равный половине сетевого напряжения. Конденсаторы фильтров, как правило, имеют небольшую ёмкость, поэтому прикосновение к корпусу такого прибора неопасно для человека, но одновременное прикосновение чувствительными частями тела к заземленным приборам и к незаземленному корпусу ощутимо (говорят, что прибор "кусается"). Кроме того потенциал на корпусе может быть опасен для самого прибора.

Достоинства вторичных источников питания с импульсной стабилизацией

• Возможность достичь высокого коэффициента стабилизации;
• Высокий КПД;
• Большой диапазон входных напряжений, нередко с более чем двукратным перекрытием: типичные значения без переключения и без значительного ухудшения КПД для распространённых схем составляют 18...75 В пост. тока, или 90...260 В переменного тока;
• Нечувствительность к частоте входного напряжения переменного тока, влияющей только на работу входного выпрямителя и фильтра;
• Нечувствительность к качеству электропитания (к примеру, наличию гармонических составляющих переменного тока);
• Лёгкость в дистанционном управлении и отключении;
• Малые габариты и масса;
• В общем случае, меньшая стоимость.

Недостатки

• Импульсные помехи. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры;
• Невысокий cosφ, что требует включения компенсаторов коэффициента мощности;
• Меньшая надёжность, обусловленная как сложностью схемы, так и режимом работы ключевых элементов (высокое напряжение, большие мгновенные токи, большое число переключений за период эксплуатации, тяжёлый температурный режим кристалла диода или транзистора);
• Трудность самостоятельной настройки или ремонта, обязательно требующая специальных навыков;
• Тяжесть последствий при выходе из строя ключевых элементов;
• Меньшее время наработки на отказ.

Примечания