2. Характеристика аналогів

Застосування імпульсних стабілізаторів значно підвищує ККД джерела живлення. Аналіз технічної літератури показав, що схемотехнічних рішень є безліч, при чому кожне з них характеризується своїми перевагами та недоліками. В цьому розділі я охарактеризую н айбільш цікаві схеми широтно-імпульсних стабілізаторів напруги.

Стабілізатор 5 В на К142ЕП1

Основне призначення цього стабілізатора – електроживлення переносної й бортової радіоелектронної апаратури, виконаної на мікросхемах ТТЛ.

Основні технічні характеристики:

Вихідна напруга, В...........................................................5;

Максимальний струм навантаження, А.........................2;

Вхідна напруга, В.............................................................7...40;

ККД, %..............................................................................71...78.

Мал. 1. Стабілізатор 5 В на К142ЕП1

Основою пристрою є інтегральна мікросхема К142ЕП1, до складу якої входять основні вузли й елементи ключового стабілізатора напруги. На один із входів вузла порівняння (вивід 13) надходить напруга близько 1,8 В від зразкового джерела (вивід 9). На інший вхід вузла порівняння (вивід 12) надходить частина вихідної напруги з дільника R7, R8. Резистором R7 установлюють вихідну напругу (її можна регулювати в межах 3...9 В). Сформовані мікросхемою імпульси керування з виводу 11 надходять на внутрішній вузол погодження (вивід 4), з навантаження якого підсилені імпульси керування через резистор R3 надходять на вхід потужного ключового елемента, зібраного на транзисторах V2, V3.

Конденсатор С3 поліпшує передачу коротких фронтів керуючих імпульсів. Потужні імпульси струму, сформовані ключовим елементом, надходять на дросель L2. Після закривання ключового транзистора V3 струм самоіндукції дроселя L2 протікає через дросель L3, навантаження й діод V4. Параметри діода V4 і дроселя L2 сильно впливають на ККД стабілізатора. Діод V4 повинен бути високочастотний і потужний, а дросель – мати якомога більшу добротність в інтервалі робочих частот, а також зберігати індуктивність в умовах протікання через обмотку великого струму намагнічення.

Для живлення вузлів керування мікросхеми А1 призначене допоміжне джерело, що складається із внутрішнього параметричного стабілізатора (його вихідна напруга знімається з виводу 6 мікросхеми) і підсилювача струму на транзисторі V1. Напруга живлення вузлів керування ( що надходить на вивід 10) дорівнює приблизно 5 В. Для зменшення проникнення імпульсних перешкод у живильну мережу й ланцюг навантаження, служать фільтри, включені на вході й виході стабілізатора.

Імпульсний стабілізатор 12 В

Його схема зображена на малюнку нижче. При підключенні джерела вхідної напруги, коли конденсатор С4 заряджений, стабілізатор DA1 відкривається, падіння напруги на резисторі R1 відкриває транзистор VT1 і той входить у режим насичення, тому що індуктивний опір котушки в момент включення досить великий. Наростаючий струм через кот ушку заряджає конденсатор С4, і напруга на ньому підвищується. При цьому збільшується напруга між виводами 2 і 8 мікросхеми DA1 і наступає момент, коли вона досягає значення, рівного вихідній напрузі стабілізатора. Подальше підвищення напруги на конденсаторі С4 приводить до закривання мікросхеми й транзистора, і запасена котушкою L1 енергія починає надходити в навантаження.

Мал. 2. Імпульсний стабілізатор 12 В

Через якийсь час напруга на конденсаторі знижується до значення, при якому напруга між виводами 2 і 8 DA1 стає меншою вихідної напруги стабілізатора, мікросхема, а слідом за нею й транзистор VT1 знову відкриваються й весь цикл повторюється. Таким чином, у процесі роботи вихідна напруга стабілізатора напруги безупинно коливається в невеликих межах щодо значення, обумовленого паспортним значенням напруги ІМС і параметрами дільника R5R2R3. Ланцюг R6C3 і конденсатор С2 скорочують час включення стабілізатора напруги і тим самим підвищують його ККД. Необхідну вихідну напругу встановлюють підстроювальним резистором R2.

Імпульсний стабілізатор на К155ЛА3

Цей стабілізатор відрізняється від подібних йому схемною простотою й високими значеннями коефіцієнтів стабілізації й корисної дії. У ньому застосована широко розповсюджена мікросхема К155ЛА3. Стабілізатор складається з наступних функціональних вузлів: вузла запуску (R3, VD1, VT1, VD3), джерел а зразкової напруги й пристрою порівняння (DD1.1, R1), підсилювача постійного струму (VT2, DD1.2, VT5), транзисторного ключа (VT3, VT4), індуктивного накопичувача енергії з комутуючим діодом (VD2, L2) і фільтрів – вхідного (L1, С1, С2) й вихідного (С4, С5, L3, С6). Після включення живлення вступає в роботу вузол запуску, що представляє собою параметричний стабілізатор напруги з емітерним повторювачем. На емітері транзистора VT1 з'являється напруга близько 4В. Так, як напруга на виході стабілізатора поки відсутня, діод VD3 закривається. У результаті включаються джерело зразкової напруги й підсилювач постійного струму.

Мал. 3. Імпульсний стабілізатор на К155ЛА3

Транзисторний ключ поки закритий. Так, як напруга живлення елемента DD1.1 менша 5В, то на його виході встановлюється високий логічний рівень, на виході підсилювача постійного струму формується крутий фронт комутуючого імпульсу. Цей фронт швидко (протягом приблизно 30 нс) відкриває електронний ключ, що починає пропускати струм в індуктивний накопичувач енергії. Струм через ключ і напругу на конденсаторі С4 будуть збільшуватися плавно. Як тільки ця напруга перевищить напругу на стабілітроні VD1, діод VD3 відкриється, а транзистор VT1 закриється. Відбудеться відключення вузла запуску, і в подальшій роботі він не буде приймати участі. Із цього моменту в стабілізаторі включається ла нцюг негативного зворотного зв'язку, і він переходить у робочий стан. Напруга на конденсаторі С4 продовжує збільшуватися до моменту, коли на виході елемента DD1.1 рівень 1 зміниться на 0. Підсилювач постійного струму формує спад комутуючого імпульсу, що за час близько 200 нс закриває електронний ключ. До цього моменту в дроселі L2 накопичувалася електромагнітна енергія. Частина енергії, що пройшла через електронний ключ, надходить у навантаження. Далі напруга самоіндукції дроселя L2 відкриває діод VD2 і енергія, накопичена в цьому дроселі, починає перетікати в навантаження.

Для того, щоб зменшити амплітуду небезпечну для мікросхеми DD1 кидка напруги, ємність конденсатора С4 обрана досить великою, тоді як звичайно вона не перевищує декількох десятків або сотень мікрофарад. Після вичерпання запасу енергії в дроселі L2 струм у навантаження буде надходити з конденсатора С4. Через деякий час напруга на ньому зменшиться до значення, коли на виході підсилювача постійного струму буде сформований фронт чергового комутуючого імпульсу й знову відкриється електронний ключ – почнеться новий цикл роботи стабілізатора.

Основні технічні характеристики:

Номінальна вихідна напруга, В......................................... 5

Вихідна напруга, В............................................................. 8...60

ККД...................................................................................... 0,69...0,72

Коефіцієнт стабілізації, не менше..................................... 500

Амплітуда пульсацій вихідної напруги, мВ,.................... 5

Вихідний опір, Ом, не більше............................................ 0,02

Максимальний струм навантаження, А............................ 2

Необхідно відмітити, що на деяких режимах роботи стабілізатора перехідні процеси на колекторі транзистора VT4 і на базі транзистора VT3 можуть істотно відрізнятися. Напруга на емітері транзистора VT4 може містити паразитні коливанн я, обумовлені хвильовими процесами в складному вихідному фільтрі, що погіршує загальний ККД.

Простий імпульсний стабілізатор на MC34063

Зібрати простий імпульсний стабілізатор на MC34063 можна за типовою схемою.

Мал. 4. Простий імпульсний стабілізатор на MC34063

Особливих коментарів схема не вимагає. Від стандартної схеми відрізняється тільки номіналами деяких пасивних елементів і типом підключеного до виводу 2 діоди Шоткі. Вихідний струм до 500 мА (при максимальному струмі ІМС починає відчутно нагріватися).

Якщо на виході необхідно одержувати напругу не 5В, наприклад 3,3В – резистор R2 (3,6 кОм) потрібно просто замінити на резистор номінальним опором 2 кОм.

Простота пристрою обумовлена застосуванням ІМС, проте обмежує струм навантаження.

Блок живлення із широтно-імпульсним стабілізатором

Описуваний порівняно простий широтно-імпульсний стабілізатор із захистом від короткий замикань призначений для живлення комп'ютера із двома дисководами. Він простіше аналогічних, не містить дефіцитних деталей і дозволяє монтувати регулюючий транзистор безпосередньо на корпусі пристрою. У цьому випадку спеціальний радіатор для нього стає зайвим. Його недоліки (властивим всім стабілізаторам з «заземленим» транзистором) – обов'язкове живлення від окремої обмотки мережного трансформатора й підвищена напруга холостого ходу. Вихідна напруга стабілізатора 5В, максимальний струм навантаження 3А.

Мал. 5. Блок живлення із широтно-імпульсним стабілізатором

Потужнострумова частина пристрою, утворена комутуючим діодом VD2, накопичувальним дроселем L1, вихідними конденсаторами С6, С7 і транзистором VT2, побудована за схемою понижувального імпульсного стабілізатора напруги. Її відмінна риса – включення комутуючого транзистора VT2 у мінусовий провід, що дозволило «заземлити» колектор. Крім того, таке включення транзистора дає можливість увести його в глибоке насичення, завдяки чому падіння напруги на ньому у відкритому стані стає досить малим.

При відкриванні транзистора VT2 мінусовий провід джерела вхідної напруги підкл ючається безпосередньо до загального «заземленого» проводу. При цьому до діода VD2 прикладається закриваюча напруга. Закриваючись (якщо був відкритий), діод створює ланцюг зарядки конденсаторів С6, С7 від джерела вхідної напруги. Значення зарядного струму залежить від індуктивності дроселя L1 і часу. На цьому етапі роботи пристрою дросель виконує роль реактивного опору, на якому гаситься різниця між вхідною й вихідною напругами. На відміну від активного опору, енергія на якому розсіюється у вигляді тепла, дроселем вона перетвориться в енергію магнітного поля, тобто акумулюється. Після закривання транзистора VT2 магнітна енергія, запасена в дроселі, перетворюється в електричну, чим продовжує підтримувати струм зарядки конденсаторів С6, С7. Так, як навантаження підключають паралельно цим конденсаторам, то під час обох фаз – нагромадження енергії дроселем і передачі її в конденсатори, вони безупинно розряджаються струмом навантаження, і для підтримки на них (а отже, й на навантаженні) стабільної напруги ключовий транзистор VT2 постійно комутується, передаючи в такий спосіб потужність джерела вхідної напруги в навантаження. Кількість енергії, переданої за один такт роботи пристрою, визначається тривалістю (шириною) імпульсів комутуючої частоти, за що такий метод і одержав назву широтно-імпульсного.

Інша частина пристрою – формувач імпульсів керування транзистором VT2. Частота цих імпульсів, рівна приблизно 28 кГц, визначається тактовим генератором, зібраним на елементах DD1.1, DD1.2. Особливість такого вузла – нестандартний спосіб формування ширини керуючих імпульсів. У даному пристрої вони формуються подачею на граничний елемент суми пилкоподібної напруги й інвертованої напруги зворотного зв'язку. Це дозволило обійтися без окремого компаратора й тим самим спростити пристрій у цілому. Змінна напруга квазіпилоподібної форми із часозадаючого RC-ланцюга генератора через резистор R1 надходить на обидва входи елемента DD1.3, що працює в лінійному режимі. Тут вона підсумується з інвертованою напругою зворотного зв'язку, створеною цим же ел ементом з напруги джерела живлення, і далі подається на граничний елемент, функцію якого виконує тригер Шмідта, зібраний на елементі DD1.4 і транзисторі VT1 з позитивним зворотним зв'язком через резистор R9. Конденсатор С4 шунтує вхід 12 елемента DD1.4 по високій частоті, тим самим запобігаючи самозбудженню стабілізатора і його помилкові перемикання. З колектора транзистора VT1 сформовані імпульси через резистор R12 надходять на базу транзистора VT2 і, таким чином, управляють ним.

Змінний резистор R3 служить для підстроювання постійної складової на виході елемента DD1.3 і, отже, регулювання вихідної напруги стабілізатора. Через резистор R6 елементи DD1.3 і DD1.4 охоплені позитивним зворотним зв'язком, що трохи компенсує недостатнє їхнє підсилення й сприятливе формування більш крутих фронтів керуючих імпульсів. Стабілізатор укомплектований тригерним захистом – у випадку короткого замикання на виході транзистори VT1 і VT2 закриваються й тим самим відключають навантаження.

Імпульсний стабілізатор на TPS63020

TPS63020 – це мініатюрний і високоефективний підвищуючо-понижаючий імпульсний перетворювач для портативної електроніки.

Цей пристрій дозволяє з високою ефективністю регулювати сильні струми в діапазоні вхідної напруги від 1,8 до 5,5 В при чудовій ефективності при неповному навантаженні.

Він характеризується:

• розширеним діапазоном підтримуваних навантажень по струму з ефективністю до 96 %;

• динамічним обмеженням по вхідному струмі,що захищає ІМС і систему;

• режимом економії споживаної потужності, який підтримує високу ефективність при неповному навантаженні.

Мал. 6. Імпульсний стабілізатор на TPS63020

Перетворювач із частотою 2,4 МГц доступний у мініатюрному корпусі SON розміром 3×4×1 мм і дозволяє реалізувати DC/DC-перетворювач площею на 60% меншою, ніж конкуруючі рішення. Живлення може здійснюватися від нових одноелементних літієвих або трьохелементних лужних акумуляторів, NiCd або NiMn.

Кожна схема має свої переваги та недоліки. Саме тому, я спробував розробити імпульсний стабілізатор, який би відповідав вимогам технічного завдання, був простим для повторення та мав багато переваг.

Від подібних вищеописаних пристроїв аналогічного призначення мій виріб відрізняється використанням широкодоступних деталей, простотою схемотехнічного рішення та високими показниками технологічності.