Импульсные стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией и релейные стабилизаторы

Отличительной чертой всех импульсных стабилизаторов напряжения по сравнению с линейными стабилизаторами является работа регулирующего транзистора в режиме переключения.

Работа транзистора в режиме переключения характеризуется быстрым переходом рабочей точки из области отсечки в область насыщения. При этом мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, во много раз меньше, чем при его работе в линейном режиме. Работа регулирующего транзистора в режиме переключе­ния позволяет повысить коэффициент использования самого транзистора, повысить КПД стабилизатора и уменьшить его габариты. Наиболее распространены два типа импульсных стабилизаторов: стабилизаторы с широтно-импульсной модуля­цией и релейные стабилизаторы или стабилизаторы с двухпозиционным ре­гулированием (рис. 5.25).

В стабилизаторах с широтно-импульсной модуляцией в качестве импульсного элемента использует­ся генератор, длительность импульса или паузы которого изменяется в зависимости от постоянного сигнала, поступающего на вход импульсного элемента с вы­хода схемы сравнения. Принцип действия стабилизатора с широтно-импульсной модуляцией заключается в следующем: постоянное напряжение U₀ от выпрямителя или от аккумуляторной батареи подается на регулирующий транзистор, а затем через фильтр на выход стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора приво­дится к опорному напряжению, сравнивается с ним, а затем сигнал разности подается на вход устройства, преобразующего сиг­нал постоянного тока в импульсы определенной длительности. Длительность импульсов изменяется пропорционально сигналу раз­ности между опорным и измеряемым напряжениями. С устройства, преобразующего постоянный ток в импульсы, сигнал поступает на регулирующий транзистор.

Регулирующий транзистор периодически переключается, и среднее значение напряжения на выходе фильтра зависит от скважности импульсов. При изменении напряжения на выходе стабили­затора изменяется сигнал постоянного тока, а, следовательно, и скважность импульсов регулирующего транзистора, и среднее значение выходного напряжения возвращается к первоначальному значению.

Принцип действия релейных или двухпозиционных стабилизаторов несколько отличается от принципа действия стабилизаторов с широтно-импульсной модуляцией. В релейных стабилизаторах в качестве импульсного элемента применяется триггер, который, в свою очередь, управляет регулирующим транзистором. При подаче постоянного напряжения на вход стабилизатора, в первый момент, регулирующий транзистор открыт, и напряжение на выходе стаби­лизатора увеличивается. Соответственно растет сигнал на выходе схемы сравнения. При определенной величине выходного, напряжения величина сигнала «а выходе схемы сравнения станет доста­точной для срабатывания триггера. Триггер срабатывает и закрывает регулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабилизатора начинает снижаться, что вызывает уменьшение сигнала на выходе схемы сравнения. При определенной величине сигнала на выходе схемы сравнения триггер вновь срабатывает и открывает регулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабилизатора начинает увеличиваться. Выходное напряжение будет увеличивать­ся до тех пор, пока триггер вновь не закроет регулирующий транзистор. Таким образом, процесс будет повторяться. Изменение входно­го напряжения или тока нагрузки стабилизатора приведет к измене­нию скважности импульсов регулирующего транзистора и к изме­нению частоты его переключения, а среднее значение выходного напряжения будет поддерживаться неизменным с определенной степенью точности.

Стабилизаторы первого и второго типа отличны в следующем.

В стабилизаторах первого типа частота переключения регулирующего транзистора постоянна, в стабилизаторах второго типа ча­стота зависит от изменения тока нагрузки и входного напряже­ния. Пульсация выходного напряжения в стабилизаторах первого типа принципиально может быть равна нулю, так как импульсный элемент управляется постоянной составляющей сигнала схемы сравнения.

Пульсация на выходе стабилизаторов второго типа принципиально не может быть равной нулю, так как периодическое пере­ключение триггера возможно только при периодическом изменении выходного напряжения.

Одним из основных недостатков стабилизаторов первого типа является их малое быстродействие. При питании таких стабилиза­торов от выпрямителя входная пульсация напряжения уменьшается стабилизатором незначительно, и поэтому его фильтр приходится рассчитывать на низкочастотную составляющую пульсации.

Недостатком стабилизаторов второго типа является зависи­мость частоты переключения от изменения напряжения сети и тока нагрузки. Необходимо отметить, что в релейных стабилизаторах можно устранить указанный недостаток. Для этого от внешнего генератора на вход усилителя или непосредственно триггера подается переменный сигнал. Если амплитуда переменного сигнала превышает пороги срабатывания триггера, то при определенных условиях происходит синхронизация стабилизатора и он работает в режиме широтно-импульсной модуляции.

В этом случае при изменении входного напряжения или тока нагрузки частота остается неизменной, а изменяется скважность импульсов регулирующего транзистора.

На рис. 5.26, 5.27 изображены схемы релейных стабилизаторов напряжения. Основное отличие схем заключается в различных режимах работы. Стабилизатор рис. 5.26 работает в обычном режиме, а стабилизатор рис. 5.27 работает в режиме широтно-импульсной модуляции. Рассмотрим более подробно работу этих схем. Стабилизатор рис. 5.26 состоит из составного регулирующего тран­зистора (Т₁₁, Т₁₂); фильтра (L₁,С_н , Д₂); схемы сравне­ния и усилителя постоянно­го тома (R₁, R_н, R₂, Д₁, R_г1, T_у, R_у); триггера на туннельном диоде Д₃ и транзисторе Т₄, промежуточного усилителя (Т₃, R₃, R₃); транзистора Т₂, предназначенно­го для запирания регулирующего транзистора; цепочки R₉, С₁, необходимой для увеличения частоты автоко­лебаний стабилизатора и элементов R₆, R_ЗАП, Д₄ С_ЗАП, необходимых для надежного включения и затирания регулирующего транзистора.

В данной схеме в качестве импульсного элемента используется триггер на тун­нельном диоде и транзисторе. Как показано в, в таких схемах можно использовать триггер на тран­зисторах (триггер Шмитта), однако применение тригге­ра на туннельном диоде поз­воляет улучшить фронты управляющих импульсов и уменьшить число элементов.

На рис. 5.28 изображены графики выходного напряжения стабилизатора, токов и напряжений транзистора Т₁₁ и диода Д₂ и тока в дросселе Др₁.

Рассмотрим принцип действия схемы рис. 5.26. На вход стабилизатора подается постоянное напряжение U₀. В момент времени t = 0 напряжение на выходе стабилизатора уменьшается до величи­ны срабатывания триггера (Т₄Д₃). Триггер срабатывает, и ток коллектора T₄ скачком уменьшается до нуля. При этом закрываются транзисторы Т₃ и Т₂, транзисторы Т₁₂, Т₁₁ открываются, а емкость С_ЗАП заряжается через сопротивление R₆ . Напряжение на входе фильтра (в точках А, Б) скачком увеличивается до напряжения U₀, диод Д₂ закрывается, и ток I_Д2 падает до нуля. Ток коллектора регулирующего транзистора Т₁₁, а соответственно и ток дросселя на­чинают увеличиваться. Напряжение на выходе стабилизатора умень­шается до момента, пока ток в дросселе не станет равным току нагрузки I_н, а затем начитает расти. При увели­чении выходного напряжения увеличивается по­ложительный потенциал на базе транзистора T_у. Ток базы, а следовательно, и так коллектора Т_у увеличиваются.

В момент времени t₁ напряжение на выходе стабилизатора достигает величины U_вых+∆U_тр/α, а ток коллектора T_у достигает величины тока срабатывания триггера. Триггер срабатывает, и ток коллектора Т₄ скачком увеличивается до максимального значения.

Транзисторы Т₃ и Т₂ открываются. Емкость С_ЗАП через транзистор Т₂ подключается между ба­зой и эмиттером транзи­сторов Т₁₂, Т₁₁ и они зак­рываются. В интервале t₁- t₂ ток коллектора транзистора Т₁₁ равен ну­лю, а дроссель разряжа­ется через диод Д₂. Напряжение на выходе стабилизатора вначале увеличивается, пока ток в дросселе Д р₁ больше тока нагрузки, и затем начинает уменьшаться.

При уменьшении выходного .напряжения, уменьшается положительное напряжение на базе транзистора T_у и его токи базы и коллектора уменьшаются. В момент t₂ напряжение на выходе уменьшилось до величины U_вых-∆U_тр/α, а ток коллектора T_у уменьшился до величины тока отпускания триггера. Триггер сра­батывает, транзисторы Т₄, Т₃, Т₂ закрываются, а транзисторы Т₁₂, Т₁₁ открываются. Вновь начинает увеличиваться ток коллектора регулирующего транзистора Т₁₁, а соответственно и ток дросселя Др₁. Таким образом, процесс непрерывно повторяется.

При изменении входного напряжения или тока нагрузки изменяется скважность импульсов регулирующего транзистора, а среднее значение U_вых выходного напряжения остается неизменным с определенной степенью точности.

Как видно из принципа действия схемы, стабилизаторы данно­го типа работают в режиме устойчивых автоколебаний.

Основным недостатком, ограничивающим область применения релейных стабилизаторов, является относительно большая ампли­туда пульсации выходного напряжения. Амплитуда пульсации выходного напряжения зависит от величины порогов срабатывания триггера, коэффициента усиления усилителя и от коэффициента затухания фильтра стабилизатора. Повышение резонансной часто­ты фильтра при постоянных уровнях порогов срабатывания триггера, постоянных значениях коэффициента усиления усилителя и коэффициента затухания фильтра стабилизатора вызывает пропорциональное увеличение частоты автоколебаний, не изменяя вели­чины пульсации выходного напряжения.

Коэффициент затухания фильтра повышается увеличением индуктивности дросселя, при соответствующем уменьшении емкости фильтра (из условия постоянства резонансной частоты фильтра). При больших значениях коэффициента затухания резко возрастают габариты стабилизатора. Однако даже при нулевых порогах срабатывания триггера, бесконечном коэффициенте усиления усилителя и достаточно большом коэффициенте затухания не удается получить малую амплитуду пульсации.

Как известно из теории релейных систем автоматического регулирования, повышение частоты автоколебаний при неизменных параметрах фильтра, фиксированных порогах срабатывания триггера и неизменном коэффициенте усиления усилителя может быть достигнуто введением дополнительных ускоряющих элементов. В качестве такого ускоряющего элемента в данной схеме используется цепочка, состоящая из емкости С₁ и сопротивления R₉. Значительное увеличение частоты автоколебаний стабилизатора при тех же параметрах фильтра, усилителя и триггера приводит к зна­чительному уменьшению амплитуды пульсации.

Схема стабилизатора рис. 5.27 по составу элементов мало чем отличается от схемы рис. 5.26. Основное отличие заключается в том, что вместо сопротивления R_ЗАП в схеме установлены диоды Д₅. Использование в схеме запирания диодов позволяет ограничить напряжение на емкости С_ЗАП. Кроме того, при изменении входного напряжения амплитуда напряжения на емкости С_ЗАП изменяется незначительно. Постоянство амплитуды запирающего напряжения особенно важно, если в качестве регулирующих применяются высокочастотные транзисторы, у которых обратное напряжение база—эмиттер мало и строго ограничено по величине.

В отличие от схемы рис. 5.26, данный стабилизатор работает в режиме широтно-импульсной модуляции. На вход усилителя через разделительный конденсатор от внешнего источника подается пе­ременный сигнал. Форма сигнала может быть пилообразной или синусоидальной.

Рассмотрим принцип действия схемы рис. 5.27 при пилообразном переменном воздействии. На рис. 5.29 изображены графики, поясняющие работу релейного стабилизатора в режиме широтно-импульсной модуляции. На базу усилительного транзистора подаются внешний пилообразный сигнал и постоянное смещение U_см1 с делителя R₁, R_п, R₂. В момент t₁ напря­жение на базе усилительного транзистора достигает величи­ны, при которой ток коллектора T_у равен току срабатывания триггера. Триггер срабатывает, транзисторы T₄, Т₃, Т₂ от­крываются, а T₁₂, Т₁₁ закрываются. Напряжение на входе фильтра U_АВ скачком уменьшается до нуля. В момент времени t₂ пилообразное напряжение на базе транзистора Т_у уменьшилось до величины, при которой ток коллектора усилительного транзистора стал равен току отпускания триггера. Триггер срабатывает, транзисторы T₄, Т₃, Т₂ закрываются, а T₁₂, Т₁₁ открываются. Напряжение на входе фильтра вновь скачком увеличивается до величины входного напряжения U₀₁. Таким образом, триггер, а соответственно и ре­гулирующий транзистор непрерывно переключаются за счет внешнего переменного сигнала.

Предположим, напряжение на входе стабилизатора увеличилось до величины U₀₂. При этом напряжение смещения на базе усили­тельного транзистора увеличилось до величины U_см2. Как видно из графиков рис. 5.29, увеличение смещения увеличивает время открытого состояния транзисторов T₄, Т₃, Т₂. Время открытого со­стояния транзистора T₁₂, Т₁₁ при этом уменьшается. Соответствен­но уменьшается длительность импульса на входе фильтра, а сред­нее значение выходного напряжения возвращается к первоначаль­ному значению с определенной степенью точности.