Как работает импульсный стабилизатор напряжения

Импульсный стабилизатор напряжения

Все стабилизирующие устройства делятся на два основных типа – линейные и импульсные. И вроде бы линейные устройства проще устроены, но имеют несколько недостатков, к примеру – низкий КПД и значительное выделение тепла при работе. Поэтому при подключении мощной нагрузки такое устройство должно быть довольно большим, а к тому же, оно будет рассеивать много энергии впустую.

Чтобы избежать этих минусов, можно использовать импульсный стабилизатор напряжения – прибор, который сглаживает скачки при помощи ключа (транзистора) и накопителя. Он обладает высоким КПД, практически не тратит энергию на нагрев, и обладает неплохими показателями стабилизации.

Принцип работы

Состоит такой прибор из ключа, способного моментально менять сопротивление (тиристора или транзистора), и интегратора (обычно – конденсатор с резистором перед ним, но может быть и дроссель, и аккумулятор), который способен накапливать заряд, а потом отдавать его потребителю.

Все импульсные стабилизаторы накапливают заряд в режиме закрытого ключа (отсечка), и в этом случае транзистор включен в режим бесконечного сопротивления. После – устройство отдает ток в нагрузку в режиме открытого ключа (насыщения), тут уже транзистор работает практически с нулевым сопротивлением. Так как этот процесс повторяется циклически, питание подается на нагрузку прерывисто – в виде импульсов заданной частоты, из чего и происходит название такого вида стабилизаторов.

Разновидности импульсных стабилизаторов

Все стабилизирующие устройства импульсного типа по типу управления можно поделить на такие группы:

• Ключевой с триггером Шмитта;
• Ключевой с широтно-импульсной модуляцией;
• С частотно-импульсной модуляцией.

С триггером Шмитта

Импульсный стабилизатор напряжения, схема которого приведена ниже, содержит в себе инвертирующий триггер Шмитта, и еще известен как релейный, или стабилизатор с двухпозиционным регулированием.

Триггер содержит в себе компаратор, который сравнивает значение напряжения в емкости с  максимально и минимально допустимыми значениями. Если показатель находится в допустимых пределах – положение ключа неизменно, как только достигается критическое значение – ключ изменяет положение. Этот процесс протекает циклично.

С ШИМ-модуляцией

Все работает так же, как и в предыдущей схеме, однако есть еще усилитель, генератор и модулятор. Модулятор сравнивает данные накопителя с опорным вольтажом, и при необходимости усиливает разность, поступающую на модулятор. Таким образом, регулируется время открытия или закрытия ключа (продолжительность импульса).

В подобной схеме частота преобразования не зависит от тока и напряжения на входе, а определяется лишь частотами на тактовом генераторе.

С частотно-импульсной модуляцией

В таком варианте исполнения прибора, импульс открытия ключа имеет постоянную длительность, а вот частота следования самих импульсов уже зависит от разности между опорным  выходным напряжением. Допустим, вырос ток на потребителе, или наоборот – упало входное напряжение – в таком случае вырастет и частота импульсов стабилизации.

В таких приборах ключ зачастую управляется мультивибратором с управляемой частотой.

По разновидностям силовой части стабилизатора выделяют такие схемы импульсных стабилизаторов:

• Понижающий;
• Повышающий;
• Инвертирующий.

Понижающий

Это довольно надежные устройства, постоянно имеющие на выходе вольтаж меньше, чем на входе. Простейшая схема импульсного стабилизатора напряжения на на 12 В показана ниже:

При подаче управляющего напряжения, транзистор переходит в режим насыщения, ток движется по цепи от плюса по дросселю к нагрузке. При отключении управляющего  сигнала – транзистор закрывается, и переходит в режим отсечки. И снова при подаче отпирающего напряжения открывается ключ – весь цикл повторяется.

Повышающий

Данная схема используется там, где разность потенциалов нагрузки значительно выше, чем вольтаж на входе. Когда транзистор включен в режим насыщения, так идет от плюса по дросселю к транзистору. При отключении управляющего напряжения на транзисторе, и на дросселе возникает ЭДС самоиндукции.

Получится, что она подключена последовательно с входящим током, и через диод коммутирована с нагрузкой.  Таким образом, получается, что магнитное поле дросселя продуцирует энергию, а емкость накапливает заряд для выдачи тока на потребителя, когда транзистор перейдет в режим насыщения. Выходит, что в данной схеме дроссель служит резервной емкостью для сглаживания скачков и просадок.

Инвертирующий

Как понятно из названия, этот тип стабилизатора может, как понижать, так и повышать показатели сети относительно входящих значений. Схема, по сути, повторяет предыдущую, за тем отличием, что диод с сопротивлением и емкостью подключаются параллельно дросселю, а не ключу. Амплитуда пульсаций в таком варианте устройства зависит от емкости конденсатора, а дроссель в данной схеме уже не является частью фильтра.

Есть еще один вид устройств – регулируемый импульсный стабилизатор напряжения. В таком приборе выходящий ток обычно регулируется при помощи изменяемого сопротивления, или реостата. Благодаря возможности настройки, такой тип стабилизаторов можно использовать для питания потребителей с разным напряжением – достаточно лишь правильно подобрать номинал резистора.

Важно знать, что все перечисленные выше устройства призваны стабилизировать показатели сети только при работе с постоянным током, к примеру, такой импульсный стабилизатор напряжения на 12 Вольт отлично подойдет для бортовой сети автомобиля. Но если прибор планируется применять в бытовой сети с переменным током, то в схему обязательно нужно вносить изменения – ставить выпрямитель, а также фильтр сглаживания.

Еще один нюанс – возникновение высокочастотных помех при стабилизации. Чтобы минимизировать этот эффект, необходимо использовать фильтры, причем как на входе, так и на выходе стабилизирующего прибора.

Преимущества и недостатки

Как и любой другой стабилизатор, импульсное устройство обладает рядом преимуществ и недостатков. Среди главных достоинств стоит отметить:

• Хорошие показатели стабилизации;
• Высокий КПД (при использовании транзистора в качестве ключа);
• Мягкое включение в работу;
• Малые габариты устройства (в сравнении с линейными аналогами).

Однако есть и ряд недочетов, которые тоже нужно иметь ввиду:

• При использовании диода имеются потери на нагрев;
• Наличие множества элементов снижает общую надежность;
• Необходимость тонкой (довольно сложной) настройки прибора;
• Сложности в ремонте – при поломке диагностировать неисправность должен профессионал.

Но, не смотря на все эти недостатки, импульсные стабилизаторы напряжения широко используются в быту. Как пример – блоки питания во всех современных компьютерах – импульсные.

Моменты, которые остались неясны, вы можете уточнить, посмотрев это видео:

Источник: https://electroadvice.ru/stabilizers/impulsnyj-stabilizator-napryazheniya/

Повышающий импульсный стабилизатор напряжения. Схемы. Расчет — Принцип действия

Как работает повышающий стабилизированный преобразователь напряжения. Где он применяется. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по разработке и расчету (10+)

Повышающий импульсный стабилизатор напряжения. Схемы. Расчет — Принцип действия

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

Повышающий преобразователь напряжения применятся тех схемах, где необходимо получить напряжение, большее, чем напряжение питания схемы. При этом важны малые габариты и высокий КПД, но терпим некоторый уровень высокочастотных шумов.

Принцип работы повышающего стабилизированного преобразователя напряжения очень похож на принцип работы понижающего преобразователя. Я рекомендую ознакомиться со статьей по ссылке, прежде чем читать этот материал. Несколько другая схема включения индуктора, диода и конденсатора позволяет получить на выходе повышенное напряжение.

Подробнее о катушках индуктивности.

Вашему вниманию подборки материалов:Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторамПрактика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Когда ключ замкнут, к катушке индуктивности приложено входное напряжение. Сила тока в дросселе нарастает, индуктор накапливает энергию. Ток идет по контуру S1. Диод исключает разряд выходного конденсатора C2 через замкнутый ключ. В этот период времени выходной ток, потребляемый нагрузкой, поддерживается за счет заряда, накопленного на конденсаторе C2.

Так как моментально изменение силы тока через дроссель невозможно, после размыкания ключа, ток дросселя через диод течет по контуру S2. Он заряжает выходной конденсатор C2. При этом напряжение на этом конденсаторе получается больше, чем входное.

Блок управления D1 формирует широтно-импульсно модулированный сигнал, то есть формирует импульсы управления ключом переменной скважности. Время, в течение которого ключ остается открытым, зависимост от напряжения на конденсаторе C2.

Конденсатор C1 нужен для того, чтобы защитить входную цепь от пульсаций тока, отбирать из нее не импульсный, а средний ток.

Преимущества, недостатки, применимость

Потери энергии в повышающем преобразователе, также как и в понижающем, и в инвертирующем, пропорциональны отношению входного и выходного напряжений. Поэтому инвертирующие преобразователи применяются, если выходное напряжение больше входного не более чем 4 раза.

В таком преобразователе не применяется выходной трансформатор, следовательно нет паразитной индуктивности утечки между обмотками — главной причиной, ограничивающей мощность импульсных преобразователей. С другой стороны, мы не имеет возможность развязать входную и выходную цепи.

Примером схемы повышающего преобразователя напряжения может быть Корректор коэффициента мощности.

Проектирование инвертирующего преобразователя

Рассмотрим типичные схемы повышающего преобразователя и подробно разберем процесс проектирования и расчета. В конце статьи будет форма, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов. Эта форма считает номиналы сразу для всех трех схем. Если в выбранной Вами схеме этих элементов нет, то их номиналы нужно игнорировать.

Схема 1

Схема 2

Схема 3

Повышающая топология — самая простая в реализации, так как эмиттер (исток) силового транзистора в не соединен с общим проводом. Нет необходимости в специальных ухищрениях при подаче управляющего напряжения на базу (затвор). Достаточно подать это напряжение напрямую. С формированием сигнала обратной связи тоже нет никаких проблем.

Если ток нагрузки относительно небольшой, то и сигнал ограничения тока снять совсем просто. В эмиттерной (истоковой) цепи устанавливается резистор. Если ток через этот резистор превышает максимально допустимый, то напряжение на этом резисторе превышает напряжение срабатывания защиты контроллера, и ключ принудительно закрывается.

Если ток нагрузки большой, то потери энергии на резисторе R7 становятся недопустимой роскошью. Тогда применяется трансформатор тока.

Если применяется маломощный контроллер, не способный раскачать мощный биполярный транзистор, то нужно поставить дополнительный транзистор, как это показано на схеме. Применение составного транзистора нежелательно, так как потери энергии на транзисторе тем больше, чем больше напряжение насыщения коллектор — эмиттер, а у составного транзистора напряжение насыщения больше в разы, чем у обычного.

На схеме 3 показано применение трансформатора тока и дополнительного маломощного транзистора. Но это не означает, что их можно применять только вместе. Трансформатор тока можно применять в схемах с полевым транзистором и в схемах с мощным контроллером. А маломощный транзистор можно применять в схемах с резистором R7. Эти два решения показаны на одной схеме просто для примера.

Обратите внимание! Если в схеме 3 для управления транзисторами используется ШИМ — контроллер с открытым эмиттером на выходе, то между базой и эмиттером транзистра VT7 нужно включить резистор сопротивлением 300 — 400 Ом для надежного запирания транзистора VT7.

Если же на выходе контроллера стоит двухтактный каскад, как в той микросхеме, которую применяем мы, то в таком резисторе потребности нет.

Как быть в случае, если входное напряжение больше, чем допустимое напряжение на затворе полевого транзистора или допустимое напряжение питания контроллера, описано в статье про понижающий преобразователь. Для повышающего решение совершенно аналогично.

Для примера в качестве ШИМ — контроллера мы используем микросхему 1156EU3.

В схемах в качестве силового ключа используются мощный биполярный транзистор или мощный полевой транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора и полевого транзистора в качестве силового ключа.

(читать дальше) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Источник: https://gyrator.ru/power-povyshayuschii

Стабилизаторы напряжения: схемы, параметры, диаграммы

Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения являются коэффициент стабилизации Kст, выходное сопротивление Rвых и коэффициент полезного действия η.

Коэффициент стабилизации определяют из выражения Kст= [ ∆uвх/ uвх] / [ ∆uвых/ uвых]

где uвх, uвых — постоянные напряжения соответственно на входе и выходе стабилизатора; ∆uвх — изменение напряжения uвх; ∆uвых — изменение напряжения uвых, соответствующее изменению напряжения ∆uвх.

Таким образом, коэффициент стабилизации — это отношение относительного изменения напряжения на входе к соответствующему относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении входного. У простейших стабилизаторов величина Kст составляет единицы, а у более сложных — сотни и тысячи.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением Rвых= | ∆uвых/ ∆iвых|

где ∆uвых— изменение постоянного напряжения на выходе стабилизатора; ∆iвых— изменение постоянного выходного тока стабилизатора, которое вызвало изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление стабилизатора является величиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрямителя с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов величина Rвых составляет единицы Ом, а у более совершенных — сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор напряжения обычно резко уменьшает пульсации напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора ηст — это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Рн, к мощности, потребляемой от входного источника напряжения Рвх: ηст = Рн / Рвх

Традиционно стабилизаторы разделяют на параметрические и компенсационные.

Интересное видео о стабилизаторах напряжения:

Параметрические стабилизаторы

Являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Рассмотрим схему параметрического стабилизатора на основе стабилитрона (рис. 2.82).
Проанализируем данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобразуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис.

2.82, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольт-амперной характеристике стабилитрона линии нагрузки для различных значений эквивалентного напряжения, соответствующих различным значениям входного напряжения (рис. 2.82, в).
Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного напряжения uэ (на ∆uэ), а значит, и входного напряжения uвх, выходное напряжение изменяется на незначительную величину ∆uвых.

Причем, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем более горизонтально идет характеристика стабилитрона), тем меньше ∆uвых.

 Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий изменению входного напряжения ∆uвх (на схеме пунктир): Rвых= rд|| R0≈ rд, т.к. R0>> rд ηст = ( uвых· Iн) / ( uвх· Iвх) = ( uвых· Iн) / [ uвх( Iн + Iвх) ].

Kст= ( ∆uвх/ uвх) : ( ∆uвых/ uвых) Так как обычно Rн>> rд Следовательно, Kст≈ uвых / uвх· [ ( rд+ R0) / rд]

Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационные стабилизаторы

Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталонным напряжением.

 В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента, изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

В качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ часто используют операционный усилитель, а в качестве РЭ — биполярный или полевой транзистор.

Чаще всего регулирующий элемент включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным (рис. 2.83, а).

Иногда регулирующий элемент включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор называют параллельным (рис. 2.83, б. Здесь СУЭ и ИОН с целью упрощения не показаны). В параллельном стабилизаторе используется балластное сопротивление Rб, включаемое последовательно с нагрузкой.

В зависимости от режима работы регулирующего элемента стабилизаторы разделяют на непрерывные и импульсные (ключевые, релейные).

В непрерывных стабилизаторах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в импульсном.

Рассмотрим типичную принципиальную схему непрерывного стабилизатора (рис. 2.84, а).
Эта схема соответствует приведенной выше структурной схеме последовательного стабилизатора. Для того чтобы выполнить наиболее просто анализ этой схемы на основе тех допущений, которые были рассмотрены при изучении операционного усилителя,изобразим эту схему по-другому.

При этом цепи питания операционного усилителя для упрощения рисунка изображать не будем.
Из схемы (рис. 2.84, б) очевидно, что на элементах R2, R3, DA и VT построен неинвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным каскадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе VT, а входным напряжением для него является выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах R1 и VD.

В соответствии с указанными выше допущениями получаем:

uR3= uст, т.е. iR3· R3= uст

uR2 = uR3 – uвых

iR2 = − iR3 = − uст/ R3

Подставляя выражение для iR2 в предыдущее уравнение, получим − uст/ R3· R2= uст – uвых. Следовательно, uвых = uст· ( 1 + R2/ R3)

Последнее выражение в точности повторяет соответствующие выражения для неинвертирующего усилителя (входным напряжением является напряжение uст).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада — на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема является убедительным примером, демонстрирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием является невысокий КПД, поскольку значительный расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как через него проходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нем равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора.

В конце 60-х годов стали выпускать интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием (серия К142ЕН).

В эту серию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжениями.

В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения интегральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами.

Некоторые параметры интегральных стабилизаторов приведены в табл. 2.1, а вариант подключения к стабилизатору К142ЕН1 внешних элементов — на рис. 2.85.
Резистор R предназначен для срабатывания защиты по току, а R1 — для регулирования выходного напряжения. Микросхемы К142УН5, ЕН6, ЕН8 являются функционально законченными стабилизаторами с фиксированным выходным напряжением, но не требуют подключения внешних элементов.

Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непрерывные стабилизаторы.

Благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов таких стабилизаторов, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД, равный 70 − 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 − 50%.

В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий через силовой элемент, максимален, однако падение напряжения на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, равен нулю, хотя напряжение максимально. Таким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность незначительна и близка к нулю.

Малые потери в силовых элементах приводят к уменьшению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.

К недостаткам импульсных источников питания относят наличие пульсаций выходного напряжения.

Рассмотрим импульсный последовательный стабилизатор напряжения (рис. 2.86).
Ключ S периодически включается и выключается схемой управления (СУ) в зависимости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение на выходе регулируют, изменяя отношение tвкл / tвыкл, где tвкл, tвыкл — длительности отрезков времени, на которых ключ находится соответственно во включенном и выключенном состояниях. Чем больше это отношение, тем больше напряжение на выходе.

В качестве ключа S часто используют биполярный или полевой транзистор.

Диод обеспечивает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов напряжения на ключе в момент коммутации. LC-фильтр снижает пульсации напряжения на выходе.

Ещё одно интересное видео о стабилизаторах:

Источник: https://pue8.ru/silovaya-elektronika/892-stabilizatory-napryazheniya-parametry-printsip-raboty.html

16.5. ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Макеты страниц

Принцип последовательной стабилизации напряжения состоит в том, что формируется постоянное напряжение, минимальное значение которого превышает требуемый уровень стабилизированного напряжения.

Разность этих напряжений падает на мощном регулирующем транзисторе, который включается последовательно с нагрузкой. Мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, является достаточно большой.

Это определяет относительно невысокий, особенно при стабилизации малых напряжений, коэффициент полезного действия, часто не превышающий 50%.

Существенно больших значений коэффициента полезного действия стабилизатора напряжения можно достичь, если регулирующий постоянное напряжение транзистор заменить импульсным коммутатором.

Среднее значение выходного напряжения в такой схеме регулируется тем, что коммутатор периодически открывается и закрывается, а отношение времени его открытого состояния к периоду повторения может регулироваться. После коммутатора в такую схему включается фильтр, сглаживающий пульсации выходного напряжения.

Чтобы не возникало потерь мощности, используют, как правило, фильтры LC-типа. Описанный принцип предусматривает включение коммутатора в цепь вторичной обмотки сетевого трансформатора, поэтому такие стабилизаторы напряжения называют вторичными.

В сетевых источниках питания следует учитывать мощность потерь силового трансформатора. Она может быть существенно снижена, если рабочая частота трансформатора составляет несколько килогерц, так как при этом его обмотки имеют меньшее число вигков.

Сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается непосредственно на первичной стороне, а затем с помощью транзисторного коммутатора преобразуется в высокочастотное переменное напряжение, которое и подается на соответственно рассчитанный силовой трансформатор. Для стабилизации выпрямленного сетевого напряжения на первичной стороне силового трансформатора используют импульсный транзисторный регулятор с изменяемой длительностью включения коммутатора.

Такие стабилизаторы называют первичными. Они имеют высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 80%. Еще одно преимущество таких источников питания состоит в том, что значительно снижаются габариты и вес используемых в них силовых трансформаторов.

16.5.1. ВТОРИЧНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

На рис. 16.30 показана принципиальная схема регулирования выходного напряжения с помощью импульсного стабилизатора. Транзистор Ту переключается с частотой около 20 кГц из полностью запертого в полностью открытое состояние. Диод D предотвращает появление высокого напряжения самоиндукции дросселя при закрывании транзистора, так как ток дросселя, замыкаясь через диод, может продолжать течь по нему. Таким образом, в течение времени, когда транзистор Т

Рис. 16.30. Принцип работы импульсного вторичного стабилизатора.

закрыт ток нагрузки обеспечивается не только за счет емкости конденсатора, но и за счет самоиндукции дросселя. Это обусловливает хорошее сглаживание выходного напряжения без потерь мощности.

На рис. 16.31 представлена блок-схема устройства управления стабилизатора. Оно осуществляет сравнение выходного напряжения с опорным; если выходное напряжение меньше опорного, то модулятор устройства управления увеличивает отношение времени открытого состояния транзистора к периоду тактового генератора для импульсов управляющего напряжения Частота импульсов управляющего напряжения остается при этом постоянной. Она задается тактовым генератором.

Для расчета импульсного регулятора напряжения выясним, как зависит от времени ток, протекающий через дроссель. При этом будем сначала исходить из того, что емкость конденсатора бесконечно велика и пульсации выходного напряжения поэтому равны нулю.

Рис. 16.31. Блок-схема устройства управления.

Согласно закону электромагнитной индукции

В течение времени, когда коммутирующий транзистор заперт,

Ток дросселя, таким образом, снижается линейно во времени:

В течение времени, когда коммутирующий транзистор открыт,

В это время ток дросселя возрастает также линейно во времени:

График зависимости тока дросселя от времени изображен на рис. 16.32.

Согласно формулам (16.17) и (16.18),

Рис. 16.32. Временная диаграмма напряжений и токов в импульсном стабилизаторе напряжения.

Из этого соотношения следует

Таким образом, выходное напряжение импульсного стабилизатора напряжения прямо пропорционально коэффициенту заполнения импульсов коммутатора и не зависит от выходного тока, пока

Ток через открытый коммутирующий транзистор равен сумме тока нагрузки и тока заряда конденсатора. Отношение

будет тем больше, чем меньше величина индуктивности дросселя Величину а следует ограничивать значением 1,2, чтобы не завышать требуемых параметров транзистора коммутатора. Для определения величины рассмотрим соотношение, очевидное из рис. 16.32,

Подставив соответствующие выражения из формул (16.19) и (16.20), получим

где величина сопротивления нагрузки.

При конечной величине емкости конденсатора на выходе стабилизатора будут иметь место пульсации напряжения. Ток заряда конденсатора составляет

Периоды заряда и разряда конденсатора соответствуют на рис. 16.32 заштрихованным областям на графике тока Для величины напряжения пульсаций выходного напряжения справедливо следующее соотношение:

Подставив соответствующие выражения из формул (16.19) и (16.20), получим

Так как здесь не учитывается омическое сопротивление конденсатора, то фактически измеренная величина напряжения пульсаций окажется несколько превышающей рассчитанную величину.

В отличие от непрерывного последовательного стабилизатора напряжения средний ток, протекающий через коммутирующий транзистор, получается меньшим, чем выходной ток. Пренебрегая потерями, можно записать следующее соотношение баланса мощности

Отсюда следует, что

Расчет импульсного стабилизатора напряжения следует проиллюстрировать числовым примером. Допустим, что требуется стабилизированное напряжение 5 В при токе нагрузки 5 А. Нестабилизированное входное напряжение равно 10 В.

Частота генератора возбуждения составляет Выберем в качестве коэффициента перерегулирования тока величину При этих параметрах из формулы (16.

21) получим величину индуктивности дросселя Максимальная величина накапливаемой такой индуктивностью энергии составляет Эту величину необходимо знать для выбора сердечника дросселя.

Допустим, что напряжение пульсаций выходного напряжения не должно превышать Тогда из формулы (16.22) минимально необходимая величина емкости конденсатора С составит

Импульсный стабилизатор с повышением напряжения

В описанной выше схеме стабилизатора, которая изображена на рис. 16.30, выходное напряжение всегда ниже входного.

Рис. 16.33. Схема импульсного стабилизатора для повышения входного напряжения.

Рис. 16.34. Схема импульсного стабилизатора для получения отрицательного выходного напряжения при положительном входном напряжении.

Изменив расположение элементов в схеме, можно, используя свойство самоиндукции получить выходное напряжение большее, чем входное. Когда в схеме, изображенной на рис. 16.33, транзистор запирается, потенциал на его коллекторе поднимается до величины, превышающей входное напряжение. При этом через диод D заряжается конденсатор С. Как и при выводе соотношений (16.17) и (16.18), для величины выходного напряжения можно записать

Остальные параметры схемы получаются так же, как соответствующие параметры ранее рассмотренной цепи стабилизатора.

Импульсный стабилизатор с инвертированием напряжения

Использование явления самоиндукции позволяет также при помощи импульсного регулятора напряжения получить из положительного входного напряжения отрицательное выходное. Схема такого варианта стабилизатора представлена на рис. 16.34.

Когда транзистор закрывается, вследствие явления самоиндукции на коллекторе транзистора появляется отрицательный потенциал. При этом диод D открывается, и конденсатор заряжается до некоторого отрицательного напряжения.

Для величины выходного напряжения справедливо следующее соотношение:

Устройство управления для всех трех схем стабилизаторов одинаково. Оно может быть выполнено в виде монолитной интегральной схемы, например типа TL 497 фирмы Texas Instruments или фирмы Fairchild.

Источник: http://scask.ru/d_book_ps.php?id=183

Стабилизаторы напряжения

• 24 февраля 2010 г. в 13:55
• 1793

На сегодняшний день практически у каждого в доме имеются современные дорогие электроприборы, которые порой очень чувствительны к перепадам напряжения. А наши электросети, развернутые еще несколько десятков лет назад, не были рассчитаны на такую мощность.

Стабилизаторы напряжения бывают разных типов, и рассчитаны на разную мощность. Немудрено, что выбирая такой прибор для защиты бытовой техники, мы сталкиваемся с их разнообразием, и постаем перед выбором.

Как же правильно выбрать стабилизатор напряжения?

На фото трёхфазная система стабилизации напряжения в загородном доме мощностью 150 кВА (стабилизаторы напряжения Progress серии L, однофазные, 3 шт. мощностью 50кВА каждый + блок автоматического контроля сети (БАКС)).

Попытаемся в этом разобраться. Начнем с количества фаз в сети. Если у Вас квартира, то сеть у Вас однофазная, а значит и стабилизатор напряжения будем выбирать однофазный. В частных домах иногда делают трехфазную сеть, однако это не означает, что нужно брать трехфазный стабилизатор напряжения.

Если 3 фазы просто заведены, а работаете Вы на одной (через переключатель фаз), то нужен один однофазный стабилизатор напряжения. В случае, если нагрузка распределена на все 3 фазы, ставится 3 однофазных стабилизатора, отдельно на каждую фазу. Трехфазный стабилизатор нужен, как правило, в промышленной сфере, где есть трехфазные потребители (электрокотлы, мощные станки и т. д.).

Итак, мы определились, что нам нужен однофазный стабилизатор напряжения. Теперь нужно выбрать устройство по принципу работы и типу коммутации.

Существуют автотрансформаторный, феррорезонансный и импульсный стабилизатор напряжения. Феррорезонансные стабилизаторы (если помните, раньше использовались для питания ламповых телевизоров) свою функцию выполняют, конечно, хорошо, но рассчитаны, как правило, на очень большую мощность, и довольно ресурсоёмки в плане их производства.

К тому же, такие стабилизаторы дают помехи во внешнюю сеть и шумно работают. Однако, позволяют регулировать межфазное напряжение трехфазной сети. Используются, в основном, в промышленности. Импульсный стабилизатор напряжения работает быстро и тихо, но рассчитан, как правило, на небольшую мощность и искажает выходное напряжения.

Обычно их используют для питания бытовой электроники с импульсными блоками питания. Для бытовых нужд лучше использовать автотрансформаторные стабилизаторы. В них стабилизация напряжения обеспечивается за счет изменения соотношения обмоток (количества витков одной из обмоток трансформатора) автотрансформатора.

Чем больше число витков содержит обмотка трансформатора, тем большую точность может обеспечить стабилизатор напряжения.

Автотрансформаторные стабилизаторы напряжения

Автотрансформаторные стабилизаторы напряжения бывают релейные, полупроводниковые (тиристорные, семисторные ) и электромеханические (сервоприводные). В релейных и полупроводниковых стабилизаторах напряжения стабилизация происходит ступенчато, но быстро. В электромеханических стабилизаторах напряжения происходит плавно, но медленно. Релейные стабилизаторы напряжения для коммутации обмоток используют реле.

Контакты реле при коммутации вызывают нежелательные переходные процессы, однако время переключения на одну ступень составляет ~20 мс. В полупроводниковых стабилизаторах коммутация обмоток происходит с помощью электронных ключей — полупроводников, время переключения на одну ступень также составляет ~20 мс.

Изменение напряжения на выходе происходит ступенчато, как и в релейных стабилизаторах, но без возникновения переходных процессов. В электромеханических стабилизаторах коммутация обмоток происходит за счет контактной щетки, которую перемещает по обмотке сервомотор (электродвигатель). Поэтому скорость стабилизации напряжения на выходе, в таких стабилизаторах, зависит от электродвигателя и качества щеток.

В качественных стабилизаторах напряжения скорость стабилизации составляет ~110В/с, в некачественных стабилизаторах время срабатывания может достигать 3с.

Для выбора стабилизатора необходимо знать активную мощность (Вт) Ваших потребителей и необходимую точность стабилизации выходного напряжения.

Какую мощность стабилизатора выбрать?

Конечно, можно взять с заведомо большим запасом по мощности, но тогда будет выше и цена. Да и места аппарат займет больше. Поэтому лучше немного посчитать. Самый простой вариант — определить максимальную мощность по вводному (главному) автомату. Для этого нужно умножить номинальный ток автомата на напряжение сети (может отличаться от 220 в!). Это и будет максимальная мощность в Ваттах.

А можно «прикинуть» суммарную мощность, одновременно потребляемую приборами в доме. Но при этом нужно учитывать, что абсолютно все приборы в доме одновременно не включаются. После этого нужно умножить полученную мощность на коэффициент, который зависит от входного напряжения. Его можно узнать по таблице в паспорте к стабилизатору напряжения.

Есть еще один маленький момент при выборе мощности стабилизатора. Обычно на них пишут мощность в ВА (вольт-амперы). Это чисто маркетинговый ход, т. к. значение в ВА численно больше, чем в Вт. Так что если написано ВА, нужно просто умножить это значение на 0.7.

Это и будет максимальная активная(!) мощность стабилизатора в Вт, при условии, что напряжение на входе не будет опускаться ниже 180В, если напряжение проваливается до 150-120В, то желательно использовать коэффициент 0.5.

Какая точность стабилизации необходима?

Для ступенчатого стабилизатора напряжения (релейные и полупроводниковые) точность стабилизации зависит от количества обмоток (ступеней) и варьируется в диапазоне от 0,9% (для особо точных стабилизаторов) до 10% (для некачественных стабилизаторов).

Для нормальной работы оборудования необходимо, чтобы напряжение в розетке составляло 220±5%. Человеческий глаз различает скачки напряжения в лампах накаливания равные 220±2% (при такой точности различают мерцание лампочек).

Для питания Hi-Fi аппаратуры достаточно 230±1.5%.

Электромеханические стабилизаторы напряжения обычно имеют точность от 220±1% до 220±1.5%. Здесь желательно обратить внимание на скорость стабилизации. Приемлемая скорость составляет ~110В/c.

По материалам компании

Источник: https://www.elec.ru/articles/stabilizatory-napryazheniya/

Импульсный стабилизатор напряжения: как работает и где используется

Импульсные стабилизаторы напряжения пользуются спросом, поскольку позволяют нормализовать подачу электричества и таким образом защитить бытовые приборы от сгорания.

Данное оборудование незаменимо для защиты техники, которая потребляет электроэнергию с напряжением 1-25 Вольт.

Стабилизационное устройство импульсного типа отличается от обычных линейных стабилизаторов габаритами — он более компактен, занимает мало места, а также имеет высокий КПД, мягкое включение, устойчив к выходными параметрам и легко достигает стабилизации.

Область применения стабилизаторов

Импульсные стабилизаторы состоят из интегрирующего и регулировочного узлов. Первый накапливает энергию, чтобы потом ее отдать. Второй подает ток и прерывает этот процесс. При этом, узел регулировки может быть в разомкнутом или замкнутом состоянии, то есть работает как ключ. Как выше отмечено, импульсный стабилизатор чаще всего применяется в быту для защиты приборов, которым для работы необходимо низкое напряжение. Также его используют:

• для работы радионавигационного оборудования;
• для бесперебойной работы низковольтной промышленной электроники;
• в качестве источника питания цифровых систем;
• для защиты современных телевизоров, оборудованных ЖК-дисплеем.

Принцип работы оборудования

Работают импульсные стабилизаторы по такому принципу. При закрытии электросети — замыкании регулирующего элемента, устройство начинает накапливать электроэнергию в интегрирующем узле. Происходит повышение напряжения. Далее ключ размыкается и электричество отдается потребителю, при этом напряжение понижается.

Благодаря такому простому способу функционирования, можно экономно потреблять электричество. В конструкцию интегрирующего узла входят батарея, дроссель и конденсатор, а регулирующий элемент включает в себя транзисторы и тиристоры.

На сегодняшний день импульсные стабилизаторы представлены двумя видами: с триггером Шмитта и ШИМ.

Особенности моделей ШИМ

Импульсные стабилизаторы ШИМ состоят из модулятора, генератора и усилителя. На работу таких устройств оказывает влияние скважность импульсов и напряжение (его величина) на входе. Принцип работы простой: при размыкании ключа энергия переходит в нагрузку и в работу подключается усилитель.

Задача усилителя: сравнить значения напряжения, чтобы определив разницу подать усиление на модулятор. Данные приборы получили широкое применение в быту и промышленности. Используются для стабилизации и регулирования тока или напряжения в блоках питания, преобразователях, сварочных аппаратах, зарядных устройствах и т.п.

Получить бесплатную консультацию по импульсным стабилизаторам и электротехнике в целом можно на странице интернет-магазина «Правильное электропитание».

Стабилизаторы с триггером Шмитта

В конструкцию данных устройств входит минимальное количество элементов. Основой является триггер с компаратором, который сравнивает величину выходного напряжения с допустимой. Если напряжение в сети превысило максимально допустимое, то происходит размыкание ключа и триггер переводится в нулевую позицию. Как только напряжение стабилизируется триггер переключается в первую позицию, ключ размыкается и ток поступает в интегратор.

Как видим, импульсные стабилизаторы могут различаться конструкцией. Также есть модели произвольно меняющие напряжение, инвертирующие, двухпозиционные и работающие на основе ШИМ.

Хотя такие устройства более комфортные в работе, чем линейные, за счет компактности и быстрого достижения стабилизации, но имеют они и некоторые недостатки.

Один из них — довольно сложных ремонт, поэтому при выходе из строя элементов стабилизатора или, когда его нужно настроить, обращаться рекомендуют к профессионалам.

Источник: https://kh-news.net/stroitelstvo-i-remont/item/14154-impulsnyj-stabilizator-napryazheniya-kak-rabotaet-i-gde-ispolzuetsya.html

7 схем импульсных стабилизаторов напряжения на транзисторах

Схемы самодельных импульсных DC-DC преобразователей напряжения на транзисторах, семь примеров.

Благодаря высокому КПД импульсные стабилизаторы напряжения получают в последнее время все более широкое распространение, хотя они, как правило, сложнее и содержат большее число элементов.

Поскольку в тепловую энергию преобразуется лишь малая доля подводимой к импульсному стабилизатору энергии, его выходные транзисторы меньше нагреваются, следовательно, за счет снижения площади теплоотводов снижаются масса и размеры устройства.

Ощутимым недостатком импульсных стабилизаторов является наличие на выходе высокочастотных пульсаций, что заметно сужает область их практического использования — чаще всего импульсные стабилизаторы используют для питания устройств на цифровых микросхемах.

Понижающий импульсный стабилизатор напряжения

Стабилизатор с выходным напряжением, меньшим входного, можно собрать на трех транзисторах (рис. 1), два из которых (VT1, VT2) образуют ключевой регулирующий элемент, а третий (ѴТЗ) является усилителем сигнала рассогласования.

Рис. 1. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД 84%.

Устройство работает в автоколебательном режиме. Напряжение положительной обратной связи с коллектора составного транзистора ѴТ1 через конденсатор С2 поступает в цепь базы транзистора ѴТ2.

Элементом сравнения и усилителем сигнала рассогласования является каскад на транзисторе ѴТЗ. Его эмиттер подключен к источнику опорного напряжения — стабилитрону VD2, а база — к делителю выходного напряжения R5 — R7.

В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент работает в ключевом режиме, поэтому выходное напряжение регулируется изменением скважности работы ключа.

Включением/выключением транзистора VT1 по сигналу транзистора ѴТЗ управляет транзистор ѴТ2. В моменты, когда транзистор ѴТ1 открыт, в дросселе L1, благодаря протеканию тока нагрузки, запасается электромагнитная энергия.

После закрывания транзистора запасенная энергия через диод VD1 отдается в нагрузку. Пульсации выходного напряжения стабилизатора сглаживаются фильтром L1, C3.

Характеристики стабилизатора целиком определяются свойствами транзистора ѴТ1 и диода VD1, быстродействие которых должно быть максимальным. При входном напряжении 24 В, выходном — 15 В и токе нагрузки 1 А измеренное значение КПД было равно 84%.

Дроссель L1 имеет 100 витков провода диаметром 0,63 мм на кольце К26х16х12 из феррита с магнитной проницаемостью 100. Его индуктивность при токе подмагничивания 1 А — около 1 мГн.

Step-down DC-DC преобразователь напряжения на +5В

Схема простого импульсного стабилизатора показана на рис. 2. Дроссели L1 и L2 намотаны на пластмассовых каркасах, помещенных в броневые магнитопроводы Б22 из феррита М2000НМ.

Дроссель L1 содержит 18 витков жгута из 7 проводов ПЭВ-1 0,35. Между чашками его магнитопровода вложена прокладка толщиной 0,8 мм.

Активное сопротивление обмотки дросселя L1 27 мОм. Дроссель L2 имеет 9 витков жгута из 10 проводов ПЭВ-1 0,35. Зазор между его чашками — 0,2 мм, активное сопротивление обмотки — 13 мОм.

Прокладки можно изготовить из жесткого теплостойкого материала — текстолита, слюды, электрокартона. Винт, скрепляющий чашки магнитопровода, должен быть из немагнитного материала.

Рис. 2. Схема простого ключевого стабилизатора напряжения с КПД 60%.

Для налаживания стабилизатора к его выходу подключают нагрузку сопротивлением 57 Ом и мощностью 10 Вт. Подбором резистора R7 устанавливают номинальное выходное напряжение, затем увеличивают ток нагрузки до 3 А и, подбирая величину конденсатора С4, устанавливают такую частоту генерации (примерно 1820 кГц), при которой высокочастотные выбросы напряжения на конденсаторе C3 минимальны.

Источник: https://radiostorage.net/2782-7-skhem-impulsnyh-stabilizatorov-napryazheniya.html

О стабилизаторах напряжения и стабилизаторах тока

В обсуждениях электрических схем часто встречаются термины «стабилизатор напряжения» и «стабилизатор тока». Но какая между ними разница? Как работают эти стабилизаторы? В какой схеме нужен дорогой стабилизатор напряжения, а где достаточно простого регулятора? Ответы на данные вопросы вы найдёте в этой статье.

Рассмотрим стабилизатор напряжения на примере устройства LM7805.В его характеристиках указано: 5В 1,5А.  Это значит стабилизирует он именно напряжение и именно до 5В. 1,5А — это максимальный ток, который может проводить стабилизатор. Пиковая сила тока. То есть от может отдать и 3 миллиампера, и 0,5 ампер, и 1 ампер. Столько, сколько тока требует нагрузка. Но не больше полутора. Это главное отличие стабилизатора напряжения от стабилизатора тока.

Виды стабилизаторов напряжения

Различают всего 2 основных типа стабилизаторов напряжения:

Линейные стабилизаторы напряжения

Например, микросхемы КРЕН или LM7805, LM1117, LM350.

Кстати, КРЕН — это не аббревиатура, как многие думают. Это сокращение. Советская микросхема-стабилизатор, аналогичная LM7805 имела обозначение КР142ЕН5А. Ну а ещё есть КР1157ЕН12В, КР1157ЕН502, КР1157ЕН24А и куча других. Для краткости всё семейство микросхем стали называть «КРЕН». КР142ЕН5А тогда превращается в КРЕН142.

Советский стабилизатор КР142ЕН5А. Аналог LM7805.

Стабилизатор LM7805

Наиболее распространенный вид. Недостаток их в том, что они не могут работать на напряжении ниже, чем заявленное выходное напряжение. Если LM7805 стабилизирует напряжение на 5 вольтах, то на вход ему подать нужно как минимум на полтора вольта больше.

Если подать меньше 6,5 В, то выходное напряжение «просядет», и мы уже не получим 5 В. Еще один минус линейных стабилизаторов — сильный нагрев при нагрузке. Собственно, в этом и заключается принцип их работы — всё, что выше стабилизируемого напряжения, просто превращается в тепло.

Если мы на вход LM7805 подадим 12 В, то 7 потратятся на нагрев корпуса, а 5 пойдут потребителю. Корпус при этом нагреется настолько сильно, что без радиатора микросхема просто сгорит.

Из всего этого вытекает ещё один серьёзный недостаток — линейный стабилизатор не стоит применять в устройствах с питанием от батареек. Энергия батареек будет тратиться на нагрев стабилизатора. Всех этих недостатков лишены импульсные стабилизаторы.

Импульсные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы — лишены недостатков линейных, но и стоят дороже. Это уже не просто микросхема с тремя выводами. Выглядят они, как плата с детальками.

Один из вариантов исполнения импульсного стабилизатора.

Импульсные стабилизаторы бывают трех видов: понижающие, повышающие и всеядные. Наиболее интересные — всеядные. Независимо от напряжения на входе, на выходе будет именно то, которое нам нужно. Всеядному импульснику все равно, что на входе напряжение ниже или выше нужного. Он сам автоматом переключается в режим повышения или понижения напряжения и держит заданное на выходе.

Если в характеристиках заявлено, что стабилизатору на вход можно подать от 1 до 15 вольт и на выходе будет стабильно 5, то так оно и будет. Кроме того, нагрев импульсных стабилизаторов настолько незначителен, что в большинстве случаев им можно пренебречь.

Если ваша схема будет питаться от батареек или размещаться в закрытом корпусе, где сильный нагрев линейного стабилизатора недопустим — ставьте импульсный.

Купить  —  LM7805 10 штук на Алиєкспресс

Импульсный стабилизатор (повышайка) MT3608 2A на Алиєкспресс

Импульсный стабилизатор 5А (понижайка) XL4015на Алиэкспресс

Хорошо. А что со стабилизатором тока?

Не открою Америку, если скажу, что стабилизатор тока стабилизирует ток.
Токовые стабилизаторы ещё иногда называют светодиодным драйвером. Внешне они похожи на импульсные стабилизаторы напряжения. Хотя сам стабилизатор — маленькая микросхема, а всё остальное нужно для обеспечения правильного режима работы. Но обычно драйвером называют всю схему сразу.

Примерно так выглядит стабилизатор тока. Красным кружком обведена та самая схема, которая и является стабилизатором. Всё остальное на плате — обвязка.

Итак. Драйвер задаёт ток. Стабильно! Если написано, что на выходе будет ток в 350мА, то будет именно 350мА. А вот напряжение на выходе может меняется в зависимости от требуемого потребителем напряжения. Не будем пускаться в дебри теории о том. как всё это работает. Просто запомним, что вы напряжение не регулируете, драйвер сделает все за вас исходя из потребителя.

Ну так и зачем всё это нужно то?

Теперь вы знаете, чем стабилизатор напряжения отличается от стабилизатора тока и можете ориентироваться в их многообразии. Возможно, вам так и не стало понятно, зачем эти штуки нужны.

Пример: вы хотите запитать 3 светодиода от бортовой сети автомобиля. Главное  для светодиода важно контролировать именно силу тока. Используем самый распространенный вариант соединения светодиодов: последовательно соединены 3 светодиода и резистор. Напряжение питания — 12 вольт.

Резистором мы ограничиваем ток на светодиоды, чтобы они не сгорели. Падение напряжения на светодиоде пусть будет у нас 3.4 вольта.После первого светодиода остается 12-3.4= 8.6 вольт.Нам пока хватает.На втором потеряется еще 3.4 вольта, то есть останется 8.6-3.4=5.2 вольта.И для третьего светодиода тоже хватит.А после третьего останется 5.2-3.4=1.

8 вольта.При желании добавить четвёртый светодиод — уже не хватит.

Если напряжение питания поднять до 15В, то тогда хватит. Но тогда и резистор тоже надо будет пересчитать. Резистор — простейший стабилизатор (ограничитель) тока. Их часто ставят на те же ленты и модули.

У него есть минус — чем ниже напряжение, тем меньше будет и ток на светодиоде (закон Ома, с ним не поспоришь). Значит, если входное напряжение нестабильно (в автомобилях обычно так и есть), то предварительно нужно стабилизировать напряжение, а потом можно ограничить резистором ток до необходимых значений.

Если используем резистор, как токовый ограничитель там, где напряжение не стабильно, нужно стабилизировать напряжение.

Стоит помнить, что резисторы имеет смысл ставить только до определенной силы тока. После некоторого порога резисторы начинают сильно греться и приходится ставить более мощные резисторы . Тепловыделение растёт, КПД падает.

Импульсный стабилизатор тока

Импульсный стабилизатор тока тоже называют светодиодным драйвером. Часто те, кто не сильно разбирается в этом, стабилизатор напряжения называют просто драйвером светодиодов, а импульсный стабилизатор тока — хорошим светодиодным драйвером. Он выдаёт сразу стабильное напряжение и ток. И почти не нагревается. Вот так он выглядит:

Источник: http://www.electronica52.in.ua/proekty-arduino/o-stabilizatorah-napryazheniya-i-stabilizatorah-toka--kren-privet-

Основы импульсного преобразования

Прежде всего, следует знать, что импульсные устройства для получения стабилизированного напряжения, подобно своим линейным аналогам, могут выполняться по параллельной и последовательной схеме.

И в том, и в другом случае функцию ключевого элемента традиционно выполняет мощный полевой транзистор. Поскольку в режиме ключа его рабочая точка мгновенно смещается из области насыщения в зону отсечки (быстро «проскакивая» активный участок), такая схема имеет минимальные тепловые потери.

А это свидетельствует о том, что импульсный стабилизатор напряжения обладает высоким КПД.

Стабилизация выходного сигнала осуществляется за счёт управления длительностью или частотой следования вырабатываемых специальным генератором импульсов, что в электронике называется широтным (ШИ) или частотным (ЧИ) импульсным регулированием.

Обратите внимание! В некоторых моделях таких приборов применяется комбинированный широтно-частотный метод управления (ЧШИ).

В стабилизаторах первого типа (ШИ) периодичность следования импульсов остаётся величиной постоянной, а меняется лишь их длительность. Во втором случае изменению подлежит частота, а длина (скважность) импульсного сигнала со временем не меняется.

На выходе регулирующего преобразователя (инвертора) присутствует сигнал прямоугольной формы, который не годится для подачи в рабочую нагрузку. Поэтому его прежде следует выпрямить или сгладить до формы, пригодной для использования. Этим и объясняется наличие на выходе устройства специального фильтрующего модуля, состоящего из сглаживающих пульсации элементов. Их функцию традиционно выполняют емкостно-индуктивные цепочки П,- или Г-образного типа.

В зависимости от параметров этих цепей (от индуктивности дросселя, в частности), ток через фильтрующий LС-элемент может иметь прерывистый или постоянный характер. Всё определяется тем, успевает ли к приходу очередного импульса разрядиться через индуктивность заряженный ранее конденсатор. При предъявлении особых требований к уровню пульсаций предпочтение отдаётся неразрывному принципу формирования выходного тока.

Дополнительная информация. Своеобразной «расплатой» за это является значительный расход медного материала, идущего на изготовление катушки дросселя.

В тех случаях, когда значение коэффициента пульсаций не нормируется, допускается, чтобы схема работала в режиме прерывистых токов.

Блок-схема

Стабилизатор напряжения 12 вольт

Классический импульсный стабилизатор напряжения содержит в своём составе следующие обязательные модули:

• Задающий генератор;
• Непосредственно преобразователь (инвертор);
• Сравнивающее устройство;
• Фильтрующий элемент.

Задающий генератор (ЗГ) обеспечивает формирование импульсов с формой, близкой к прямоугольному стандарту. Последние поступают в преобразовательное устройство, где осуществляется их обработка по выбранному параметру управления (частоте, длительности или тому и другому сразу). Затем обработанные импульсы подаются на фильтрующий элемент, а после него – на выход и в цепочку обратной (управляющей) связи.

Ознакомиться с порядком работы устройства поможет приведённая ниже блок-схема.

Блок-схема стабилизатора импульсного типа

Важно! Ключевым звеном в этой схеме является цепочка обратной связи (устройство сравнения), наличие которой позволяет по состоянию выходного сигнала определять необходимость дополнительных действий (регулировок).

То есть когда выходной сигнал имеет идеальные параметры, устройство сравнивает его с образцовыми напряжениями и воспринимает это как команду к прерыванию управляющей операции. Если форма или другая характеристика выходного сигнала начинают отличаться от заданных в ТУ параметров, сравнивающий модуль (СУ) вырабатывает сигнал дополнительной корректировки формируемых генератором импульсов.

Преимущества ОС-регулирования

На задающий генератор подаётся разностный сигнал, пропорциональный отклонению параметров выходного напряжения от нормы, так что вся эта схема работает по принципу дифференциального усилителя. Такое схемное решение позволяет многократно увеличить чувствительность петли обратной связи (ОС) и повысить эффективность процесса регулирования.

В таком режиме формируемые ЗГ управляющие импульсы поступают на ключевые элементы преобразовательного устройства, где происходит их обработка с одновременной подготовкой к последующей фильтрации. При изменении частоты или ширины импульса сигналом с СУ удаётся добиться требуемого качества выходного напряжения.

Дополнительная информация. Возможны ситуации, когда необходимость в регулировке полностью исключается. Обычно это случается, когда выходное напряжение соответствует заданным ТУ требованиям.

Повышающие

Мощный стабилизатор напряжения

Повышающие импульсные схемы стабилизации востребованы при необходимости подключения нагрузки, напряжение на которой должно превышать входной параметр на какую-то величину. При этом гальванической развязки между потребителем и питающей электрической сетью 220 Вольт не предусматривается. За рубежом этот принцип преобразования называется «boost converter», а его схема приводится на рисунке, размещённом ниже по тексту.

При поступлении управляющего напряжения между затвором и истоком транзистора VT1 он входит в состояние насыщения, обеспечивая беспрепятственное протекание тока через накопительный дроссель L1. При этом составляющая выходного тока создаётся за счёт зарядки конденсатора С1.

После снятия потенциала с транзистора VT1 он переходит в состояние отсечки; при этом на дросселе L1 появляется ЭДС самоиндукции, передающаяся через диод VD1 на нагрузку с той же полярностью. По окончании протекания тока по дросселю L1 катушка полностью отдаёт энергию в цепь. Её принимает конденсатор С1, который заряжается до тех пор, пока транзистор VT1 снова не окажется в насыщении.

Далее весь описанный процесс повторяется. Повышенное напряжение на нагрузке обеспечивается тем, что к выходному напряжению добавляется ЭДС, систематически запасаемая в дросселе и имеющая тот же знак.

Понижающий стабилизатор

Понижающий стабилизатор работает по тому же принципу, но только дроссель в этом случае включается после управляемого полевого транзистора (смотрите рисунок ниже).

Зарубежное название этого принципа преобразования – «chopper», а его характерной особенностью является пониженное выходное напряжение.

После подачи управляющего импульса на VT1 транзистор насыщается, вследствие чего через него начинает течь ток, поступающий через сглаживающий дроссель L1 непосредственно в нагрузку (диод VD1 закрыт обратным напряжением).

После снятия входного сигнала ключевой транзистор перейдёт в режим отсечки, что приведёт к резкому снижению тока. ЭДС самоиндукции дросселя L1 будет усиленно препятствовать его уменьшению, поддерживая процесс в нагрузке. Однако за счёт падения напряжения на катушке L1 его величина на выходе устройства будет всегда меньше входного значения (за счёт противоположного знака ЭДС).

Инвертирующее устройство

Этот тип стабилизаторов применяется при работе с нагрузками, имеющими фиксированный вольтаж выходного напряжения, сдвинутого по фазе относительно входного. При этом само его значение может быть как больше, так и меньше, чем входное (всё зависит от того, как было отстроено инвертирующее устройство).

Аналогично обеим предыдущим схемам здесь гальваническая развязка питающих и выходных цепей полностью отсутствует. На иностранном лексиконе такие стабилизаторы обозначаются как «buck-boost converter». Основное схемное отличие от понижающего преобразователя состоит в том, что дроссель и диод в этом случае поменялись местами. Причём полупроводниковый элемент включается в обратном (закрытом для прямого тока) направлении.

Такая замена приводит к сдвигу по фазе между входным и выходным сигналами на 90 градусов (иными словами – к его инверсии).

В заключительной части этого обзора обратим внимание на ещё одну деталь, характерную для всех рассмотренных разновидностей преобразующих устройств. В качестве коммутирующего ключа во всех схемах используется специальный полупроводниковый элемент с полевой структурой, управляемый не напряжением, а потенциалом. За счёт этого удаётся многократно сократить входные управляющие токи, а также дополнительно повысить КПД всего устройства в целом.

Стабилизатор напряжения цифровой

Источник: https://elquanta.ru/teoriya/impulsnyjj-stabilizator-napryazheniya.html

Импульсный стабилизатор напряжения — принцип действия

Линейные стабилизаторы имеют общий недостаток – это малый КПД и высокое выделение тепла. Мощные приборы, создающие нагрузочный ток в широких пределах имеют значительные габариты и вес. Чтобы компенсировать эти недостатки, разработаны и используются импульсные стабилизаторы.

Устройство, поддерживающее в постоянном виде напряжение на потребителе тока с помощью регулировки электронным элементом, действующим в режиме ключа. Импульсный стабилизатор напряжения, так же как и линейный существует последовательного и параллельного вида. Роль ключа в таких моделях исполняют транзисторы.

Так как действующая точка стабилизирующего устройства практически постоянно расположена в области отсечки или насыщения, проходя активную область, то в транзисторе выделяется немного тепла, следовательно, импульсный стабилизатор имеет высокий КПД.

Стабилизация осуществляется с помощью изменения продолжительности импульсов, а также управления их частотой. Вследствие этого различают частотно-импульсное, а другими словами широтное регулирование. Импульсные стабилизаторы функционируют в комбинированном импульсном режиме.

В устройствах стабилизации с регулированием широтно-импульсным частота импульсов имеет постоянную величину, а продолжительность действия импульсов является непостоянным значением. В приборах с регулированием частотно-импульсным продолжительность импульсов не изменяется, меняют только частоту.

На выходе устройства напряжение представлено в виде пульсаций, соответственно оно не годится для питания потребителя. Перед подачей питания на нагрузку потребителя, его нужно выровнять. Для этого на выходе импульсных стабилизаторов монтируют выравнивающие емкостные фильтры. Они бывают многозвенчатыми, Г-образными и другими.

Средняя величина напряжения, поданная на нагрузку, вычисляется по формуле:

• Ти – продолжительность периода.
• tи – продолжительность импульса.
• Rн – значение сопротивления потребителя, Ом.
• I(t) – значение тока, проходящего по нагрузке, ампер.

Ток может перестать протекать по фильтру к началу следующего импульса, в зависимости от индуктивности. В этом случае идет речь о режиме действия с переменным током. Ток также может дальше протекать, тогда имеют ввиду функционирование с постоянным током.

При повышенной чувствительности нагрузки к импульсам питания, выполняют режим постоянного тока, не смотря со значительными потерями в обмотке дросселя и проводах. Если размер импульсов на выходе прибора незначителен, то рекомендуется функционирование при переменном токе.

Повышающий стабилизатор

Импульсные повышающие стабилизаторы применяют вместе с нагрузками, разность потенциалов которых выше, чем напряжение на входе приборов. В стабилизаторе нет гальванической изоляции сети питания и нагрузки. Импортные повышающие стабилизаторы называются boost converter. Основные части такого прибора:

Транзистор вступает в насыщение, и ток проходит по цепи от положительного полюса по накопительному дросселю, транзистору. При этом накапливается энергия в магнитном поле дросселя. Нагрузочный ток может создать только разряд емкости С1.

Отключим выключающее напряжение с транзистора. При этом он вступит в положение отсечки, а следовательно на дросселе появится ЭДС самоиндукции. Оно будет коммутировано последовательно с напряжением входа, и подключено по диоду к потребителю. Ток пойдет по цепи от положительного полюса к дросселю, по диоду и нагрузке.

В этот момент магнитное поле индуктивного дросселя выдает энергию, а емкость С1 резервирует энергию для поддержки напряжения на потребителе после вхождения транзистора в режим насыщения. Дроссель является для резерва энергии и не работает в фильтре питания. При повторной подаче напряжения на транзистор, он откроется, и весь процесс пойдет заново.

Понижающий стабилизатор

Стабилизаторы импульсного типа, функционирующие с понижением напряжения, являются компактными и мощными приборами питания электрическим током. При этом они имеют низкую чувствительность к наводкам потребителя постоянным напряжением одного значения.

Гальваническая изоляция выхода и входа в понижающих устройствах отсутствует. Импортные приборы получили название chopper. Выходное питание в таких устройствах постоянно находится меньше входного напряжения.

Схема импульсного стабилизатора понижающего типа изображена на рисунке.

Подключим напряжение для управления истоком и затвором транзистора, который войдет в положение насыщения. По нему будет проходить ток по цепи от положительного полюса по выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении ток по диоду не протекает.

Отключим управляющее напряжение, которое выключает ключевой транзистор. После этого он будет находиться в положении отсечки. ЭДС индукции выравнивающего дросселя будет преграждать путь для изменения тока, который пойдет по цепи через нагрузку от дросселя, по общему проводнику, диод, и опять придет на дроссель. Емкость С1 будет разряжаться и будет удерживать напряжение на выходе.

При подаче отпирающей разницы потенциалов между истоком и затвором транзистора, он перейдет в режим насыщения и вся цепочка вновь повторится.

Инвертирующий стабилизатор

Импульсные стабилизаторы инвертирующего типа используют для подключения потребителей с постоянным напряжением, полюсность которого имеет противоположное направление полюсности разности потенциалов на выходе устройства.

Его значение  может быть выше сети питания, и ниже сети, в зависимости от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция сети питания и нагрузки отсутствует. Импортные приборы инвертирующего типа называются buck-boost converter.

На выходе таких приборов напряжение всегда ниже.

Подключим управляющую разность потенциалов, которое откроет транзистор между истоком и затвором. Он откроется, и ток пойдет по цепи от плюса по транзистору, дросселю к минусу. При таком процессе дроссель резервирует энергию с помощью своего магнитного поля.

Отключим разность потенциалов управления от ключа на транзисторе, он закроется. Ток пойдет от дросселя по нагрузке, диоду, и возвратится в первоначальное положение. Резервная энергия на конденсаторе и магнитном поле будет расходоваться для нагрузки. Снова подадим питание на транзистор к истоку и затвору.

Транзистор опять станет насыщаться и процесс повторится.

Допустимая частота

Функционирование импульсного стабилизатора возможно при значительной частоте преобразования. Это является основной отличительной чертой от устройств, имеющих трансформатор сети. Увеличение этого параметра дает возможность получить наименьшие габариты.

Для большинства приборов интервал частот будет равен 20-80 килогерц. Но при выборе ШИМ и ключевых приборов необходимо учесть высокие гармоники токов. Верхняя граница параметра ограничена определенными требованиями, которые предъявляются к радиочастотным приборам.

Простой импульсный стабилизатор напряжения

Источник: http://ostabilizatore.ru/impulsnyj-stabilizator-naprjazhenija.html