Стабилизаторы тока. 
Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных средств

Стабилизаторы тока отличаются от стабилизаторов напряжения тем, что сигнал в цепь обратной связи поступает от датчика тока, включенного в цепь тока нагрузки. В простейшем стабилизаторе тока (токостабилизирующий двухполюсник, см. рис. 4.8) датчиком тока является резистор /?_э, который должен иметь малые уходы в температуре и при старении. Для получения высокой стабильности используют компенсационные схемы стабилизаторов (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Компенсационный стабилизатор тока

Датчиком тока является резистор /?2, и на нем стабилизатор подтерж! шаст неизменным напряжение, а следовательно, и ток в нагрузке. Сопротивление датчика тока много меньше сопротивления нагрузки. Обычно падение напряжения на датчике находится в пределах 50… 100 мВ при номинальном токе нагрузки, что достаточно для нормальной работы усилителя цепи обратной связи (операционного усилителя). Датчики тока называют шунтами и выпускают на токи от единиц до сотен ампер.

Импульсные стабилизаторы

Эго стабилизаторы, в которых РЭ работает в режиме ключа (включен или выключен, отсечка или насыщение, замкнут или разомкнут), благодаря чему КПД достигает 85. .95% - основное их достоинство. Недостаток импульсных стабилизаторов — высокий уровень помех, пульсаций и шумов, что требует постановки дополнительных помехоподавляющих фильтров.

Импульсный стабилизатор состоит из следующих элементов: РЭ (транзисторного ключа VT), индуктивности (накопительного дросселя L), обратного диода VD, конденсатора фильтра С и схемы управления. По способу построения силовой части импульсные стабилизаторы подразделяют на три типа:

• а) понижающие — с последовательным включением РЭ, дросселя и нагрузки;
• б) повышающие — с параллельным включением РЭ и нагрузки;
• в) инвертирующие с параллельным включением дросселя и нагрузки.

В зависимости от метода стабилизации выходного напряжения (метод управления ключом) стабилизаторы различав:

• • ШИМ — широшо-импульсно модулированные;
• • ЧИМ — частотно-импульсно модулированные;
• • релейные.

Метод формирования сигнала управления ключом поясняется эпюрами, показанными на рис. 4.21.

Если входное напряжение стабилизатора изменяется в пределах Д{/_ач, то при ШИМ период остается постоянным, изменяется длительность импульса (/и), следовательно, изменяется и коэффициент заполнения:

Рис. 4.21. Формирование сигнала управления ключом

Поскольку выходное напряжение.

зависимость U_BhJX = /(у) есть регулировочная характеристика импульсного регулятора.

При ЧИМ длительность импульса остается постоянной, изменяется период (7), следовательно, изменяется и коэффициент заполнения. Для переменной частоты сложно строить сглаживающие фильтры, поэтому ЧИМ менее распространена по сравнению с ШИМ.

При релейном регулировании схема управления наиболее простая (триггер Шмитта!), но здесь обязательно наличие двух порогов (?/_n0pi и и^що) и пульсация на выходе принципиально не может быть равна нулю. Переменными являются также частота и длительность, поэтому релейное регулирование используют для управления электрическими машинами.

В практике электропитания наиболее часто применяют ШИМ.

Рассмотрим работу импульсного стабилизатора. На рис. 4.22 показана схема понижающего регулятора (стабилизатор с разомкнутой цепью обратной связи) без схемы управления и эпюры, поясняющие сш работу.

Рис. 4.22. Понижающей импульсный регулятор

В этой схеме выходное напряжение ?/₀ всегда меньше входного, поскольку не существует элементов без потерь.

Когда ключ VT замкнут, дроссель L заряжается, ток коллектора нарастает. Когда ключ размыкается, дроссель разряжается в нагрузку через открытый диод VD. Индуктивность дросселя больше критической, поэтому ток в нем нс спадает до нуля. 11апряжснис на нагрузке также не имеет провалов до нуля, и его среднее значение согласно (4.21) равно.

Рассмотрим повышающий регулятор. Его схема и эшоры приведены на рис. 4.23, а, б. Когда ключ VT замкнут, идет заряд дросселя L, входное.

Рис. 4.23. Повышающий импульсный регулятор

напряжение уравновешивается ЭДС самоиндукции дросселя а- Когда ключ размыкается, е/. меняет знак на противоположный, чтобы поддержать падающий ток дросселя, и, суммируясь с U^, дроссель разряжается на конденсатор С. 11апряжеш1с на нагрузке превышает входное. Если суммарные потери в элементах стабилизатора нс более 10% от мощности в нагрузке, то среднее выходное напряжение

Схема потребляет от источника практически постоянный ток и нс создает обратную помеху в сеть.

Рассмотрим инвертирующий регулятор. Его схема и эпюры приведены на рис. 4.24, а, б.

Рис. 4.24. Иывергарующий импульсный регу лятор

Когда ключ VT замкнут, идет заряд дросселя L, входное напряжение уравновешивается ЭДС самоиндукции дросселя е/. Когда ключ размыкается, е/. меняет знак на щхятиюположтшш (полярность показана на рисунке) и дроссель разряжается па конденсатор С. Если об i ид с потери в элементах не превышают 10% от мощности в нагрузке, то среднее выходное напряжение.

Схема управления импульсным регулятором показана на рис. 4.25 и включает в себя следящий делитель (R, R2), эталонный источник (?/_эт), усилитель сигнала рассогласования DA1, генератор пилообразною напряжения Сгпн и широтно-импульсный модулятор (ШИМ — DA2). Последний фор. шруст дискретный сигнал управления ключом, модулированный по длительности сигналом рассогласования (U_y). Схема управления состоит из таких же функциональных элементов, как и в непрерывном стабилизаторе, но дополнена широтно-импульсным модулятором.

Рис. 4.25. Схема управления импульсным регулятором

Дня импульсных стабилизаторов справедливо основное уравнение (4.18), в котором коэффициент передачи следящего делителя.

Коэффициент передачи усилительного элемента (DA1).

Коэффициент передачи регулирующего элемента заменяется произведением коэффициента передачи ШИМ и коэффициента передачи силового ключа (*и):

где - входное напряжение стабилизатора;

U[1м — размах пилообразного напряжения.

Тогда петлевое усиление (4.15) принимает вид.

где Пф — КПД сглаживающею /XD-фильтра (3.27).

Из (4.28) следует, что при входных напряжениях в десятки волы и размахе пилы в схеме управления единицы вольт петлевое усиление в импульсных стабилизаторах в десятки раз может превышать петлевое усиление непрерывных стабилизаторов. Значит, и коэффициент стабилизации по напряжению у них выше.

Схемы управления импульсными стабилизаторами выпускаются в визе контроллеров — К142ЕП1, К1114ЕУ1, К1114ЕУЗ и др.

Основная сложность при проектировании импульсных стабилизаторов — обеспечение низких пульсаций на выходеНапряжение па входе /. CD-фильтра имеет вит прямоугольных импульсов (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Напряжение на входе /.С/Э-фшътра.

Найдем первую гармонику этой последовательности посредством разложения в ряд Фурье:

где  — коэффш щент заполнения;

к — номер гармоники.

Палапш к = I, находим.

Зная амплитуду первой гармоники и постоянную составляющую, т. е. коэффициент пульсаций па входе фильтра, находят требуемый коэффициент сглаживания и затем элементы фильтра.