Impulzne nastaviteľný stabilizátor napätia. Spínaný stabilizátor napätia, obvod Možnosti ďalšieho rozvoja

Nastaviteľný spínaný stabilizátor napätia je určený na inštaláciu ako do rádioamatérskych zariadení s pevným výstupným napätím, tak aj pre laboratórny zdroj s nastaviteľným výstupným napätím. Keďže stabilizátor pracuje v pulznom režime, má vysokú účinnosť a na rozdiel od lineárnych stabilizátorov nevyžaduje veľký chladič. Modul je vyrobený na doske s hliníkovým substrátom, čo umožňuje dlhodobo odoberať výstupný prúd až do 2 A bez inštalácie dodatočného chladiča. Pre prúdy väčšie ako 2 A musí byť na zadnú stranu modulu pripevnený radiátor s plochou najmenej 145 cm2. Na tento účel je možné radiátor pripevniť, v module sú dva otvory pre maximálny prenos tepla, použite pastu KPT-8; Ak nie je možné použiť montážne skrutky, je možné modul pripevniť na radiátor/kovovú časť zariadenia pomocou autotmelu. Aby ste to dosiahli, musíte do stredu zadnej časti modulu naniesť tmel, povrchy pretrieť tak, aby medzera medzi nimi bola minimálna a stlačiť 24 hodín. ,85° C Ochrana proti prepólovaniu nie Rozmery modulu 43 x 40 x 12 mm Hmotnosť modulu 15 g Prepojovací obvod s voltmetrom SVH0043 Prepojovací obvod so stabilizátorom prúdu 1,6 A Celkové rozmery

Lineárne stabilizátory majú spoločnú nevýhodu - nízku účinnosť a vysoký vývin tepla. Výkonné zariadenia, ktoré vytvárajú záťažový prúd v širokom rozsahu, majú významné rozmery a hmotnosť. Na kompenzáciu týchto nedostatkov boli vyvinuté a používané pulzné stabilizátory.

Zariadenie, ktoré udržiava konštantné napätie na aktuálnom spotrebiči nastavením elektronického prvku pracujúceho v režime kľúča. Stabilizátor spínaného napätia, rovnako ako lineárny, existuje v sériovom a paralelnom type. Úlohu kľúča v takýchto modeloch zohrávajú tranzistory.

Pretože účinný bod stabilizačného zariadenia je takmer neustále umiestnený v oblasti cutoff alebo saturácie, prechádza aktívnou oblasťou, v tranzistore sa vytvára malé množstvo tepla, preto má spínací stabilizátor vysokú účinnosť.

Stabilizácia sa vykonáva zmenou trvania impulzov, ako aj riadením ich frekvencie. V dôsledku toho sa rozlišuje medzi pulzovo-frekvenčnou a inými slovami šírkovo-šírkovou reguláciou. Stabilizátory impulzov pracujú v kombinovanom impulznom režime.

V stabilizačných zariadeniach s reguláciou šírky impulzov má frekvencia impulzov konštantnú hodnotu a trvanie impulzov je premenlivá hodnota. V zariadeniach s impulzno-frekvenčným riadením sa dĺžka trvania impulzov nemení, mení sa iba frekvencia.

Na výstupe zariadenia je napätie prezentované vo forme zvlnenia, preto nie je vhodné na napájanie spotrebiteľa. Pred napájaním spotrebiča je potrebné ho vyrovnať. Na tento účel sú na výstupe impulzných stabilizátorov namontované vyrovnávacie kapacitné filtre. Prichádzajú vo viacprvkových, v tvare L a iných.

Priemerné napätie aplikované na záťaž sa vypočíta podľa vzorca:

• Ti je trvanie obdobia.
• ti – trvanie pulzu.
• Rн – hodnota odporu spotrebiča, Ohm.
• I(t) – hodnota prúdu prechádzajúceho záťažou, ampéry.

Prúd môže prestať prechádzať cez filter začiatkom ďalšieho impulzu v závislosti od indukčnosti. V tomto prípade hovoríme o prevádzkovom režime so striedavým prúdom. Prúd môže tiež tiecť ďalej, čo znamená prevádzku s jednosmerným prúdom.

Pri zvýšenej citlivosti záťaže na výkonové impulzy sa vykonáva režim jednosmerného prúdu, a to aj napriek značným stratám vo vinutí induktora a drôtoch. Ak je veľkosť impulzov na výstupe zariadenia malá, odporúča sa prevádzka so striedavým prúdom.

Princíp fungovania

Vo všeobecnosti stabilizátor impulzov obsahuje prevodník impulzov s nastavovacím zariadením, generátor, vyrovnávací filter, ktorý znižuje napäťové impulzy na výstupe, a porovnávacie zariadenie, ktoré dodáva signál rozdielu medzi vstupným a výstupným napätím.

Schéma hlavných častí stabilizátora napätia je znázornená na obrázku.

Napätie na výstupe zariadenia sa privádza do porovnávacieho zariadenia so základným napätím. Výsledkom je proporcionálny signál. Dodáva sa do generátora po jeho predchádzajúcom zosilnení.

Pri riadení v generátore sa rozdielový analógový signál upraví na zvlnenie s konštantnou frekvenciou a premenlivým trvaním. Pri pulzno-frekvenčnom riadení má trvanie impulzov konštantnú hodnotu. Mení frekvenciu impulzov generátora v závislosti od vlastností signálu.

Riadiace impulzy generované generátorom prechádzajú do prvkov meniča. Riadiaci tranzistor pracuje v kľúčovom režime. Zmenou frekvencie alebo intervalu impulzov generátora je možné meniť napätie záťaže. Prevodník upravuje hodnotu výstupného napätia v závislosti od vlastností riadiacich impulzov. Podľa teórie v zariadeniach s nastavením frekvencie a šírky môžu chýbať napäťové impulzy u spotrebiteľa.

Pri princípe činnosti relé sa signál, ktorý je riadený stabilizátorom, generuje pomocou spúšte. Keď do zariadenia vstúpi konštantné napätie, tranzistor, ktorý funguje ako spínač, je otvorený a zvyšuje výstupné napätie. porovnávacie zariadenie určuje rozdielový signál, ktorý po dosiahnutí určitej hornej hranice zmení stav spúšte a riadiaci tranzistor sa prepne do vypnutia.

Výstupné napätie začne klesať. Keď napätie klesne na dolnú hranicu, porovnávacie zariadenie určí rozdielový signál, znova prepne spúšť a tranzistor sa opäť nasýti. Potenciálny rozdiel v záťaži zariadenia sa zvýši. V dôsledku toho sa pri stabilizácii typu relé výstupné napätie zvyšuje, čím sa vyrovnáva. Spúšťací limit sa nastavuje úpravou amplitúdy hodnoty napätia na porovnávacom zariadení.

Stabilizátory typu relé majú na rozdiel od zariadení s reguláciou frekvencie a šírky zvýšenú rýchlosť odozvy. To je ich výhoda. Teoreticky pri reléovom type stabilizácie budú na výstupe zariadenia vždy impulzy. To je ich nevýhoda.

Zosilňujúci stabilizátor

Spínané zosilňovacie regulátory sa používajú spolu so záťažami, ktorých potenciálny rozdiel je vyšší ako napätie na vstupe zariadení. Stabilizátor nemá galvanické oddelenie medzi zdrojom a záťažou. Dovážané posilňovacie stabilizátory sa nazývajú posilňovacie konvertory. Hlavné časti takéhoto zariadenia:

Tranzistor vstupuje do saturácie a prúd preteká obvodom z kladného pólu cez akumulačný induktor, tranzistor. V tomto prípade sa energia akumuluje v magnetickom poli induktora. Zaťažovací prúd môže byť vytvorený iba vybitím kapacity C1.

Vypnime spínacie napätie z tranzistora. Súčasne sa dostane do polohy vypnutia, a preto sa na plyne objaví samoindukčné EMF. Bude zapojené do série so vstupným napätím a pripojené cez diódu k spotrebiču. Prúd bude prechádzať obvodom od kladného pólu k induktoru, cez diódu a záťaž.

V tomto momente magnetické pole indukčnej tlmivky dodáva energiu a kapacita C1 rezervuje energiu na udržanie napätia na spotrebiči po tom, čo tranzistor vstúpi do saturačného režimu. Tlmivka slúži na rezervu energie a nefunguje vo filtri napájania. Po opätovnom privedení napätia na tranzistor sa otvorí a celý proces začne odznova.

Stabilizátory so spúšťou Schmitt

Tento typ pulzného zariadenia má svoje vlastné charakteristiky s najmenšou sadou komponentov. Spúšť hrá hlavnú úlohu v dizajne. Obsahuje komparátor. Hlavnou úlohou komparátora je porovnať hodnotu rozdielu výstupného potenciálu s najvyššou prípustnou hodnotou.

Princíp činnosti zariadenia so spúšťou Schmitt spočíva v tom, že pri zvýšení najvyššieho napätia sa spúšť prepne do nulovej polohy s otvorením elektronického kľúča. V jednom okamihu sa škrtiaca klapka vybije. Keď napätie dosiahne najnižšiu hodnotu, vykoná sa prepnutie o jednotku. To zaisťuje, že sa spínač zatvorí a prúd preteká do integrátora.

Takéto zariadenia sa vyznačujú zjednodušeným obvodom, ale môžu sa použiť v špeciálnych prípadoch, pretože spínacie stabilizátory sú iba zostupné a zostupné.

Buck stabilizátor

Impulzné stabilizátory pracujúce s redukciou napätia sú kompaktné a výkonné elektrické napájacie zariadenia. Zároveň majú nízku citlivosť na rušenie spotrebiteľov s konštantným napätím rovnakej hodnoty. V znižovacích zariadeniach nie je galvanické oddelenie výstupu a vstupu. Importované zariadenia sa nazývajú chopper. Výstupný výkon v takýchto zariadeniach je vždy menší ako vstupné napätie. Obvod pulzného stabilizátora typu Buck je znázornený na obrázku.

Pripojme napätie na ovládanie zdroja a brány tranzistora, ktorý sa dostane do polohy saturácie. Bude prenášať prúd cez obvod z kladného pólu cez vyrovnávaciu tlmivku a záťaž. Cez diódu v priepustnom smere nepreteká žiadny prúd.

Vypnime riadiace napätie, ktoré vypne kľúčový tranzistor. Potom bude v odrezanej polohe. Indukčné emf vyrovnávacej tlmivky zablokuje cestu pre zmenu prúdu, ktorý pretečie obvodom cez záťaž od tlmivky, po spoločnom vodiči, dióde a opäť príde k tlmivke. Kapacita C1 sa vybije a bude udržiavať napätie na výstupe.

Keď sa medzi zdrojom a hradlom tranzistora použije rozdiel potenciálu odomknutia, prejde do režimu saturácie a celý reťazec sa znova zopakuje.

Invertný stabilizátor

Spínacie stabilizátory invertného typu sa používajú na pripojenie spotrebičov s konštantným napätím, ktorých polarita má opačný smer polarity ako potenciálny rozdiel na výstupe zariadenia. Jeho hodnota môže byť nad napájacou sieťou a pod sieťou, v závislosti od nastavenia stabilizátora. Medzi zdrojom a záťažou nie je galvanické oddelenie. Importované zariadenia invertujúceho typu sa nazývajú konvertory buck-boost. Výstupné napätie takýchto zariadení je vždy nižšie.

Zapojíme riadiaci potenciálový rozdiel, ktorý otvorí tranzistor medzi zdrojom a hradlom. Otvorí sa a prúd preteká obvodom z plusu cez tranzistor, induktor, do mínusu. V tomto procese si induktor rezervuje energiu pomocou svojho magnetického poľa. Vypnime rozdiel riadiaceho potenciálu zo spínača na tranzistore, ten sa uzavrie. Prúd potečie z induktora cez záťaž, diódu a vráti sa do pôvodnej polohy. Záložná energia na kondenzátore a magnetickom poli bude spotrebovaná záťažou. Aplikujme energiu na tranzistor opäť na zdroj a hradlo. Tranzistor sa opäť nasýti a proces sa bude opakovať.

Výhody a nevýhody

Ako všetky zariadenia, modulárny spínací stabilizátor nie je ideálny. Preto má svoje klady a zápory. Pozrime sa na hlavné výhody:

• Ľahko dosiahnuť zarovnanie.
• Hladké spojenie.
• Kompaktné veľkosti.
• Stabilita výstupného napätia.
• Široký interval stabilizácie.
• Zvýšená účinnosť.

Nevýhody zariadenia:

• Komplexný dizajn.
• Existuje veľa špecifických komponentov, ktoré znižujú spoľahlivosť zariadenia.
• Potreba používať zariadenia na kompenzáciu výkonu.
• Náročnosť opravárenských prác.
• Tvorba veľkého množstva frekvenčného rušenia.

Prípustná frekvencia

Prevádzka pulzného stabilizátora je možná pri významnej konverznej frekvencii. Toto je hlavný rozlišovací znak od zariadení, ktoré majú sieťový transformátor. Zvýšenie tohto parametra umožňuje získať najmenšie rozmery.

Pre väčšinu zariadení bude frekvenčný rozsah 20-80 kilohertzov. Ale pri výbere PWM a kľúčových zariadení je potrebné vziať do úvahy vysoké harmonické prúdy. Horná hranica parametra je obmedzená určitými požiadavkami, ktoré platia pre rádiofrekvenčné zariadenia.

Prevádzka takmer akéhokoľvek elektronického obvodu vyžaduje prítomnosť jedného alebo viacerých zdrojov konštantného napätia a v drvivej väčšine prípadov sa používa stabilizované napätie. Stabilizované zdroje využívajú buď lineárne alebo spínacie stabilizátory. Každý typ meniča má svoje výhody, a teda svoje vlastné miesto v napájacích obvodoch. Medzi nesporné výhody spínacích stabilizátorov patria vyššie hodnoty účinnosti, možnosť získať vysoké hodnoty výstupného prúdu a vysoká účinnosť pri veľkom rozdiele medzi vstupným a výstupným napätím.

Princíp činnosti stabilizátora impulzov

Obrázok 1 zobrazuje zjednodušený diagram výkonovej časti IPSN.

Ryža. 1.

Tranzistor VT s efektom poľa vykonáva vysokofrekvenčné prepínanie prúdu. V pulzných stabilizátoroch tranzistor pracuje v spínacom režime, to znamená, že môže byť v jednom z dvoch stabilných stavov: plné vedenie a prerušenie. V súlade s tým prevádzka IPSN pozostáva z dvoch striedajúcich sa fáz - fázy čerpania energie (keď je tranzistor VT otvorený) a fázy vybíjania (keď je tranzistor zatvorený). Činnosť IPSN je znázornená na obrázku 2.

Ryža. 2. Princíp činnosti IPSN: a) fáza čerpania; b) fáza vybíjania; c) časové diagramy

Fáza čerpania energie pokračuje počas celého časového intervalu T I. Počas tejto doby je spínač zopnutý a vedie prúd I VT. Ďalej prúd prechádza cez induktor L do záťaže R, ktorá je posunutá výstupným kondenzátorom C OUT. V prvej časti fázy dodáva kondenzátor prúd I C záťaži a v druhej polovici odoberá zo záťaže časť prúdu I L. Veľkosť prúdu I L sa neustále zvyšuje a energia sa akumuluje v induktore L a v druhej časti fázy - na kondenzátore C OUT. Napätie na dióde V D sa rovná U IN (mínus úbytok napätia na otvorenom tranzistore) a dióda je počas tejto fázy zatvorená - nepreteká ňou žiadny prúd. Prúd I R pretekajúci záťažou R je konštantný (rozdiel I L - I C), podľa toho je konštantné aj napätie U OUT na výstupe.

Fáza vybíjania nastáva počas času T P: spínač je otvorený a nepreteká ním žiadny prúd. Je známe, že prúd pretekajúci cez induktor sa nemôže okamžite zmeniť. Prúd IL, ktorý sa neustále znižuje, preteká záťažou a uzatvára sa cez diódu V D. V prvej časti tejto fázy kondenzátor C OUT pokračuje v akumulácii energie, pričom odoberá časť prúdu I L zo záťaže. V druhej polovici vybíjacej fázy začne do záťaže dodávať prúd aj kondenzátor. Počas tejto fázy je konštantný aj prúd I R pretekajúci záťažou. Preto je výstupné napätie tiež stabilné.

Základné parametre

V prvom rade si všimneme, že podľa funkčného prevedenia rozlišujú IPSN s nastaviteľným a pevným výstupným napätím. Typické obvody pre zapínanie oboch typov IPSN sú uvedené na obrázku 3. Rozdiel medzi nimi je v tom, že v prvom prípade je rezistorový delič, ktorý určuje hodnotu výstupného napätia, umiestnený mimo integrovaného obvodu a v druhom prípade , vo vnútri. Preto je v prvom prípade hodnota výstupného napätia nastavená používateľom av druhom prípade je nastavená pri výrobe mikroobvodu.

Ryža. 3. Typický spínací obvod pre IPSN: a) s nastaviteľným ab) s pevným výstupným napätím

Medzi najdôležitejšie parametre IPSN patria:

• Rozsah prípustných hodnôt vstupného napätia U IN_MIN…U IN_MAX.
• Maximálna hodnota výstupného prúdu (prúd záťaže) I OUT_MAX.
• Nominálna hodnota výstupného napätia U OUT (pre IPSN s pevnou hodnotou výstupného napätia) alebo rozsah hodnôt výstupného napätia U OUT_MIN ... U OUT_MAX (pre IPSN s nastaviteľnou hodnotou výstupného napätia). Referenčné materiály často uvádzajú, že maximálna hodnota výstupného napätia U OUT_MAX sa rovná maximálnej hodnote vstupného napätia U IN_MAX. V skutočnosti to nie je úplne pravda. V každom prípade je výstupné napätie menšie ako vstupné napätie, aspoň o veľkosť poklesu napätia na kľúčovom tranzistore U DROP. Pri hodnote výstupného prúdu rovnajúcej sa napríklad 3A bude hodnota U DROP 0,1...1,0 V (v závislosti od zvoleného mikroobvodu IPSN). Približná rovnosť U OUT_MAX a U IN_MAX je možná len pri veľmi nízkych hodnotách zaťažovacieho prúdu. Všimnite si tiež, že samotný proces stabilizácie výstupného napätia zahŕňa stratu niekoľkých percent vstupného napätia. Deklarovanú rovnosť U OUT_MAX a U IN_MAX treba chápať len v tom zmysle, že neexistujú žiadne iné dôvody na zníženie U OUT_MAX pri konkrétnom produkte okrem tých, ktoré sú uvedené vyššie (najmä neexistujú žiadne zjavné obmedzenia maximálnej hodnoty faktor plnenia D). Hodnota spätnoväzbového napätia U FB sa zvyčajne označuje ako U OUT_MIN. V skutočnosti by U OUT_MIN malo byť vždy o niekoľko percent vyššie (z rovnakých stabilizačných dôvodov).
• Presnosť nastavenia výstupného napätia. Nastaviť ako percento. Má zmysel iba v prípade IPSN s pevnou hodnotou výstupného napätia, pretože v tomto prípade sú odpory deliča napätia umiestnené vo vnútri mikroobvodu a ich presnosť je parametrom kontrolovaným počas výroby. V prípade IPSN s nastaviteľnou hodnotou výstupného napätia stráca parameter význam, pretože presnosť deličových odporov volí užívateľ. V tomto prípade môžeme hovoriť iba o veľkosti kolísania výstupného napätia vzhľadom na určitú priemernú hodnotu (presnosť signálu spätnej väzby). Pripomeňme, že v každom prípade je tento parameter pre spínanie stabilizátorov napätia 3...5 krát horší v porovnaní s lineárnymi stabilizátormi.
• Pokles napätia na otvorenom tranzistore R DS_ON. Ako už bolo uvedené, tento parameter je spojený s nevyhnutným poklesom výstupného napätia vzhľadom na vstupné napätie. Ale dôležitejšie je niečo iné - čím vyššia je hodnota odporu otvoreného kanála, tým viac energie sa rozptýli vo forme tepla. Pre moderné mikroobvody IPSN sú dobrou hodnotou hodnoty do 300 mOhm. Vyššie hodnoty sú typické pre čipy vyvinuté minimálne pred piatimi rokmi. Všimnite si tiež, že hodnota R DS_ON nie je konštantná, ale závisí od hodnoty výstupného prúdu I OUT.
• Trvanie pracovného cyklu T a frekvencia spínania F SW. Trvanie pracovného cyklu T sa určí ako súčet intervalov T I (trvanie impulzu) a T P (trvanie prestávky). V súlade s tým je frekvencia FW recipročná k trvaniu pracovného cyklu. Pre niektorú časť IPSN je spínacia frekvencia konštantná hodnota určená vnútornými prvkami integrovaného obvodu. Pre ďalšiu časť IPSN je frekvencia spínania nastavená externými prvkami (spravidla externým RC obvodom), v tomto prípade je určený rozsah prípustných frekvencií F SW_MIN ... F SW_MAX. Vyššia spínacia frekvencia umožňuje použitie tlmiviek s nižšou hodnotou indukčnosti, čo má pozitívny vplyv na rozmery výrobku aj jeho cenu. Väčšina systémov napájania používa PWM riadenie, to znamená, že hodnota T je konštantná a počas stabilizačného procesu sa hodnota T I upravuje oveľa menej často. V tomto prípade je hodnota T I konštantná a stabilizácia sa vykonáva zmenou trvania pauzy T P. Hodnoty T a teda aj F SW sa stávajú premenlivými. V referenčných materiáloch je v tomto prípade spravidla špecifikovaná frekvencia zodpovedajúca pracovnému cyklu rovnajúcemu sa 2. Všimnite si, že frekvenčný rozsah F SW_MIN ... F SW_MAX nastaviteľnej frekvencie by sa mal odlíšiť od tolerančnej brány pre pevnú frekvencia, pretože hodnota tolerancie je často uvedená u výrobcu referenčných materiálov.
• Faktor cla D, ktorý sa rovná percentu
  pomer T I k T. Referenčné materiály často uvádzajú „až 100 %“. Je zrejmé, že je to prehnané, pretože ak je kľúčový tranzistor neustále otvorený, nedochádza k žiadnemu stabilizačnému procesu. Vo väčšine modelov uvedených na trh približne pred rokom 2005 bola z dôvodu množstva technologických obmedzení hodnota tohto koeficientu obmedzená nad 90 %. V moderných modeloch IPSN bola väčšina týchto obmedzení prekonaná, ale fráza „až 100 %“ by sa nemala brať doslovne.
• Faktor účinnosti (alebo účinnosť). Ako je známe, pre lineárne stabilizátory (v zásade zníženie) je to percentuálny pomer výstupného napätia k vstupu, pretože hodnoty vstupného a výstupného prúdu sú takmer rovnaké. Pri spínacích stabilizátoroch sa vstupné a výstupné prúdy môžu výrazne líšiť, preto sa ako účinnosť berie percentuálny pomer výstupného výkonu k vstupnému výkonu. Presne povedané, pre ten istý mikroobvod IPSN sa hodnota tohto koeficientu môže výrazne líšiť v závislosti od pomeru vstupného a výstupného napätia, množstva prúdu v záťaži a spínacej frekvencie. Pre väčšinu IPSN je maximálna účinnosť dosiahnutá pri hodnote záťažového prúdu rádovo 20...30% maximálnej prípustnej hodnoty, takže číselná hodnota nie je príliš informatívna. Je vhodnejšie použiť grafy závislostí, ktoré sú uvedené v referenčných materiáloch výrobcu. Obrázok 4 zobrazuje grafy účinnosti pre stabilizátor ako príklad. . Je zrejmé, že použitie vysokonapäťového stabilizátora pri nízkych skutočných hodnotách vstupného napätia nie je dobrým riešením, pretože hodnota účinnosti výrazne klesá, keď sa záťažový prúd blíži k maximálnej hodnote. Druhá skupina grafov znázorňuje výhodnejší režim, pretože hodnota účinnosti slabo závisí od kolísania výstupného prúdu. Kritériom pre správny výber meniča nie je ani tak číselná hodnota účinnosti, ale skôr hladkosť grafu funkcie prúdu v záťaži (neprítomnosť „blokovania“ v oblasti vysokých prúdov ).

Ryža. 4.

Uvedený zoznam nevyčerpáva celý zoznam parametrov IPSN. Menej významné parametre možno nájsť v literatúre.

Špeciálne funkcie
pulzné stabilizátory napätia

Vo väčšine prípadov majú IPSN množstvo doplnkových funkcií, ktoré rozširujú možnosti ich praktického využitia. Najbežnejšie sú nasledujúce:

• Vstup pre vypnutie záťaže „On/Off“ alebo „Shutdown“ umožňuje otvoriť kľúčový tranzistor a tým odpojiť napätie od záťaže. Spravidla sa používa na diaľkové ovládanie skupiny stabilizátorov, ktoré implementujú určitý algoritmus na privádzanie a vypínanie jednotlivých napätí v napájacom systéme. Okrem toho môže byť použitý ako vstup pre núdzové vypnutie napájania v prípade núdze.
• Výstup normálneho stavu „Power Good“ je zovšeobecňujúci výstupný signál potvrdzujúci, že IPSN je v normálnom prevádzkovom stave. Aktívna úroveň signálu sa vytvára po ukončení prechodných procesov z dodávky vstupného napätia a spravidla sa používa buď ako znak prevádzkyschopnosti ISPN, alebo na spustenie ďalšieho ISPN v sekvenčných napájacích systémoch. Dôvody, prečo je možné tento signál resetovať: vstupné napätie klesne pod určitú úroveň, výstupné napätie prekročí určitý rozsah, záťaž sa vypne signálom Shutdown, prekročí sa maximálna hodnota prúdu v záťaži (najmä, skutočnosť skratu), teplotné vypnutie záťaže a niektoré ďalšie. Faktory, ktoré sa berú do úvahy pri generovaní tohto signálu, závisia od konkrétneho modelu IPSN.
• Externý synchronizačný kolík „Sync“ poskytuje možnosť synchronizácie interného oscilátora s externým hodinovým signálom. Používa sa na organizáciu spoločnej synchronizácie niekoľkých stabilizátorov v zložitých systémoch napájania. Upozorňujeme, že frekvencia externého hodinového signálu sa nemusí zhodovať s prirodzenou frekvenciou FSW, musí však byť v rámci povolených limitov špecifikovaných v materiáloch výrobcu.
• Funkcia Soft Start poskytuje relatívne pomalé zvýšenie výstupného napätia, keď je napätie privedené na vstup IPSN alebo keď je zapnutý signál Shutdown na zostupnej hrane. Táto funkcia vám umožňuje znížiť prúdové rázy v záťaži, keď je mikroobvod zapnutý. Prevádzkové parametre obvodu mäkkého štartu sú najčastejšie pevné a určené vnútornými komponentmi stabilizátora. Niektoré modely IPSN majú špeciálny výstup Soft Start. V tomto prípade sú štartovacie parametre určené menovitými hodnotami externých prvkov (rezistor, kondenzátor, RC obvod) pripojených k tomuto kolíku.
• Teplotná ochrana je navrhnutá tak, aby zabránila zlyhaniu čipu v prípade prehriatia kryštálu. Zvýšenie teploty kryštálu (bez ohľadu na dôvod) nad určitú úroveň spúšťa ochranný mechanizmus - pokles prúdu v záťaži alebo jeho úplné vypnutie. Tým sa zabráni ďalšiemu zvýšeniu teploty matrice a poškodeniu čipu. Návrat obvodu do režimu stabilizácie napätia je možný až po ochladení mikroobvodu. Upozorňujeme, že ochrana pred teplotou je implementovaná vo veľkej väčšine moderných mikroobvodov IPSN, ale nie je k dispozícii samostatná indikácia tohto konkrétneho stavu. Inžinier bude musieť sám uhádnuť, že dôvodom vypnutia záťaže je práve činnosť tepelnej ochrany.
• Prúdová ochrana pozostáva buď z obmedzenia množstva prúdu pretekajúceho záťažou alebo z odpojenia záťaže. Ochrana sa spustí, ak je odpor záťaže príliš nízky (napríklad dôjde ku skratu) a prúd prekročí určitú prahovú hodnotu, čo môže viesť k poruche mikroobvodu. Rovnako ako v predchádzajúcom prípade je diagnostika tohto stavu záležitosťou inžiniera.

Posledná poznámka týkajúca sa parametrov a funkcií IPSN. Na obrázkoch 1 a 2 je výbojová dióda VD. V dosť starých stabilizátoroch je táto dióda implementovaná presne ako externá kremíková dióda. Nevýhodou tohto obvodového riešenia bol vysoký úbytok napätia (cca 0,6 V) na dióde v otvorenom stave. Novšie konštrukcie využívali Schottkyho diódu, ktorá má úbytok napätia približne 0,3 V. V posledných piatich rokoch používali tieto riešenia len pre vysokonapäťové meniče. Vo väčšine moderných produktov je vybíjacia dióda vyrobená vo forme vnútorného tranzistora s efektom poľa pracujúceho v protifáze s kľúčovým tranzistorom. V tomto prípade je pokles napätia určený odporom otvoreného kanála a pri nízkych zaťažovacích prúdoch poskytuje dodatočný zisk. Stabilizátory používajúce túto konštrukciu obvodu sa nazývajú synchrónne. Upozorňujeme, že schopnosť pracovať z externého hodinového signálu a pojem „synchrónny“ spolu nijako nesúvisia.

s nízkym vstupným napätím

Vzhľadom na skutočnosť, že v rade STMicroelectronics existuje približne 70 typov IPSN so vstavaným kľúčovým tranzistorom, má zmysel systematizovať všetku rozmanitosť. Ak vezmeme ako kritérium parameter, ako je maximálna hodnota vstupného napätia, potom možno rozlíšiť štyri skupiny:

1. IPSN s nízkym vstupným napätím (6 V alebo menej);

2. IPSN so vstupným napätím 10…28 V;

3. IPSN so vstupným napätím 36…38 V;

4. IPSN s vysokým vstupným napätím (46 V a viac).

Parametre stabilizátorov prvej skupiny sú uvedené v tabuľke 1.

Tabuľka 1. IPSN s nízkym vstupným napätím

V roku 2005 bol rad stabilizátorov tohto typu neúplný. Obmedzilo sa to na mikroobvody. Tieto mikroobvody mali dobré vlastnosti: vysoká presnosť a účinnosť, žiadne obmedzenia hodnoty pracovného cyklu, možnosť nastavenia frekvencie pri prevádzke z externého hodinového signálu a prijateľná hodnota RDSON. To všetko robí tieto produkty dnes žiadanými. Významnou nevýhodou je nízky maximálny výstupný prúd. V rade nízkonapäťových IPSN od STMicroelectronics neboli žiadne stabilizátory pre záťažové prúdy 1 A a vyššie. Následne bola táto medzera odstránená: najprv sa objavili stabilizátory pre 1,5 a 2 A ( a ) av posledných rokoch - pre 3 a 4 A ( , A). Okrem zvýšenia výstupného prúdu sa zvýšila spínacia frekvencia, znížila sa hodnota odporu otvoreného kanála, čo má pozitívny vplyv na spotrebiteľské vlastnosti konečných produktov. Zaznamenávame tiež vzhľad mikroobvodov IPSN s pevným výstupným napätím ( a ) - v rade STMicroelectronics nie je veľa takýchto produktov. Najnovší prírastok s hodnotou RDSON 35 mOhm je jedným z najlepších v odvetví, čo v kombinácii s rozsiahlou funkčnosťou sľubuje tomuto produktu dobré vyhliadky.

Hlavnou oblasťou použitia produktov tohto typu sú mobilné zariadenia napájané batériou. Široký rozsah vstupného napätia zaisťuje stabilnú prevádzku zariadenia pri rôznych úrovniach nabitia batérie a vysoká účinnosť minimalizuje premenu vstupnej energie na teplo. Posledná okolnosť určuje výhody spínacích stabilizátorov oproti lineárnym v tejto oblasti používateľských aplikácií.

Vo všeobecnosti sa táto skupina STMicroelectronics vyvíja pomerne dynamicky - za posledné 3-4 roky sa na trhu objavila približne polovica celej rady.

Spínacie stabilizátory
so vstupným napätím 10…28 V

Parametre meničov tejto skupiny sú uvedené v tabuľke 2.

Tabuľka 2 IPSN so vstupným napätím 10…28 V

Pred ôsmimi rokmi túto skupinu predstavovali iba mikroobvody , a so vstupným napätím do 11 V. Rozsah od 16 do 28 V zostal prázdny. Zo všetkých uvedených úprav iba , ale parametre tohto IPSN zle zodpovedajú moderným požiadavkám. Môžeme predpokladať, že počas tejto doby bola nomenklatúra posudzovanej skupiny úplne aktualizovaná.

V súčasnosti sú základom tejto skupiny mikroobvody . Táto linka je navrhnutá pre celý rozsah záťažových prúdov od 0,7 do 4 A, poskytuje celý rad špeciálnych funkcií, spínacia frekvencia je nastaviteľná v pomerne širokom rozsahu, neexistujú žiadne obmedzenia týkajúce sa hodnoty pracovného cyklu, účinnosti a otvorenia -hodnoty odporu kanálov spĺňajú moderné požiadavky. V tejto sérii sú dve významné nevýhody. Po prvé, nie je tu zabudovaná žiadna výbojová dióda (okrem mikroobvodov s príponou D). Presnosť regulácie výstupného napätia je pomerne vysoká (2%), ale prítomnosť troch a viacerých externých prvkov v obvode kompenzácie spätnej väzby nemožno považovať za výhodu. Mikroobvody sa líšia od série L598x iba v inom rozsahu vstupného napätia, ale dizajn obvodu, a teda aj výhody a nevýhody sú podobné ako u rodiny L598x. Ako príklad je na obrázku 5 znázornený typický spojovací obvod pre trojampérový mikroobvod. Nechýba ani výbojová dióda D a kompenzačné obvodové prvky R4, C4 a C5. Vstupy F SW a SYNCH zostávajú voľné, preto prevodník pracuje z interného oscilátora s prednastavenou frekvenciou F SW.

V tomto článku sa dozviete o:

Každý z nás používa vo svojom živote veľké množstvo rôznych elektrických spotrebičov. Veľký počet z nich vyžaduje nízkonapäťovú energiu. Inými slovami, spotrebúvajú elektrinu, ktorá sa nevyznačuje napätím 220 voltov, ale mala by mať od jedného do 25 voltov.

Samozrejme, na dodávanie elektriny s takým počtom voltov sa používajú špeciálne zariadenia. Problém však nevzniká v znižovaní napätia, ale v udržiavaní jeho stabilnej úrovne.

Na tento účel môžete použiť lineárne stabilizačné zariadenia. Takéto riešenie však bude veľmi ťažkopádnym potešením. Túto úlohu ideálne splní akýkoľvek spínací stabilizátor napätia.

Demontovaný stabilizátor pulzu

Ak porovnáme pulzné a lineárne stabilizačné zariadenia, ich hlavný rozdiel spočíva v činnosti ovládacieho prvku. V prvom type zariadení tento prvok funguje ako kľúč. Inými slovami, je buď v uzavretom alebo otvorenom stave.

Hlavnými prvkami zariadení na stabilizáciu impulzov sú regulačné a integračné prvky. Prvý zabezpečuje dodávku a prerušenie elektrického prúdu. Úlohou druhého je akumulovať elektrinu a postupne ju uvoľňovať do záťaže.

Princíp činnosti impulzných meničov

Princíp činnosti pulzného stabilizátora

Hlavným princípom činnosti je, že keď je regulačný prvok zatvorený, elektrická energia sa akumuluje v integračnom prvku. Táto akumulácia sa pozoruje zvýšením napätia. Po vypnutí ovládacieho prvku, t.j. otvára elektrické vedenie, integrujúci komponent uvoľňuje elektrinu a postupne znižuje napätie. Vďaka tomuto spôsobu prevádzky zariadenie na stabilizáciu impulzov nespotrebováva veľké množstvo energie a môže mať malé rozmery.

Regulačným prvkom môže byť tyristor, bipolárny tranzistor alebo tranzistor s efektom poľa. Ako integračné prvky možno použiť tlmivky, batérie alebo kondenzátory.

Upozorňujeme, že zariadenia na stabilizáciu impulzov môžu fungovať dvoma rôznymi spôsobmi. Prvý zahŕňa použitie modulácie šírky impulzov (PWM). Druhým je Schmittova spúšť. Na ovládanie spínačov stabilizačného zariadenia sa používa PWM aj Schmittova spúšť.

Stabilizátor využívajúci PWM

Spínací jednosmerný stabilizátor napätia, ktorý pracuje na báze PWM, okrem spínača a integrátora obsahuje:

1. generátor;
2. operačný zosilňovač;
3. modulátor

Činnosť spínača priamo závisí od úrovne vstupného napätia a pracovného cyklu impulzov. Posledná charakteristika je ovplyvnená frekvenciou generátora a kapacitou integrátora. Keď sa spínač otvorí, začne sa proces prenosu elektriny z integrátora do záťaže.

Schematický diagram stabilizátora PWM

Operačný zosilňovač v tomto prípade porovnáva úrovne výstupného napätia a referenčného napätia, určuje rozdiel a prenáša požadovaný zisk do modulátora. Tento modulátor konvertuje impulzy produkované generátorom na pravouhlé impulzy.

Konečné impulzy sú charakterizované rovnakou odchýlkou ​​pracovného cyklu, ktorá je úmerná rozdielu medzi výstupným napätím a referenčným napätím. Práve tieto impulzy určujú správanie kľúča.

To znamená, že pri určitom pracovnom cykle sa spínač môže zatvoriť alebo otvoriť. Ukazuje sa, že v týchto stabilizátoroch hrajú hlavnú úlohu impulzy. Odtiaľ vlastne pochádza aj názov týchto zariadení.

Schmittov spúšťací konvertor

Tie prístroje na stabilizáciu pulzu, ktoré používajú Schmittovu spúšť, už nemajú taký veľký počet komponentov ako v predchádzajúcom type prístroja. Tu je hlavným prvkom spúšť Schmitt, ktorá obsahuje komparátor. Úlohou komparátora je porovnať úroveň napätia na výstupe a jeho maximálnu prípustnú úroveň.

Stabilizátor so spúšťou Schmitt

Keď výstupné napätie prekročí svoju maximálnu úroveň, spúšť sa prepne do nulovej polohy a otvorí spínač. V tomto čase je induktor alebo kondenzátor vybitý. Charakteristiku elektrického prúdu samozrejme neustále sleduje spomínaný komparátor.

A potom, keď napätie klesne pod požadovanú úroveň, fáza „0“ sa zmení na fázu „1“. Ďalej sa kľúč zatvorí a do integrátora prúdi elektrický prúd.

Výhodou takéhoto pulzného stabilizátora napätia je, že jeho obvod a konštrukcia sú pomerne jednoduché. Nedá sa však uplatniť vo všetkých prípadoch.

Stojí za zmienku, že zariadenia na stabilizáciu impulzov môžu pracovať iba v určitých smeroch. Máme na mysli, že môžu byť buď čisto nadol alebo čisto nahor. Existujú aj ďalšie dva typy takýchto zariadení, a to invertné a zariadenia, ktoré môžu ľubovoľne meniť napätie.

Schéma redukčného zariadenia na stabilizáciu impulzov

V budúcnosti budeme uvažovať o obvode redukčného zariadenia na stabilizáciu impulzov. Pozostáva z:

1. Regulačný tranzistor alebo akýkoľvek iný typ spínača.
2. Induktory.
3. Kondenzátor.
4. Dióda.
5. Zaťaženie.
6. Ovládacie zariadenia.

Jednotka, v ktorej bude akumulovaná dodávka elektriny, pozostáva zo samotnej cievky (induktora) a kondenzátora.

Kým je spínač (v našom prípade tranzistor) zapojený, prúd tečie do cievky a kondenzátora. Dióda je v zatvorenom stave. To znamená, že nemôže prejsť prúdom.

Počiatočná energia je monitorovaná riadiacim zariadením, ktoré v správnom momente vypne kľúč, to znamená, že ho uvedie do vypnutého stavu. Keď je spínač v tomto stave, dochádza k poklesu prúdu, ktorý prechádza cez induktor.

Stabilizátor pulzu Buck

V tomto prípade sa mení smer napätia v tlmivke a v dôsledku toho prúd dostáva napätie, ktorého hodnota je rozdiel medzi elektromotorickou silou samoindukcie cievky a počtom voltov pri vstup. V tomto čase sa dióda otvorí a tlmivka cez ňu dodáva prúd do záťaže.

Po vyčerpaní dodávky elektriny sa kľúč pripojí, dióda sa zatvorí a tlmivka sa nabije. To znamená, že všetko sa opakuje.
Zvyšujúci sa spínaný stabilizátor napätia funguje rovnakým spôsobom ako znižovací regulátor napätia. Invertujúce stabilizačné zariadenie sa vyznačuje podobným operačným algoritmom. Samozrejme, jeho tvorba má svoje odlišnosti.

Hlavný rozdiel medzi impulzným zosilňovačom je v tom, že jeho vstupné napätie a napätie cievky majú rovnaký smer. V dôsledku toho sú zhrnuté. Spínací stabilizátor najprv umiestni tlmivku, potom tranzistor a diódu.

V invertujúcom stabilizačnom zariadení je smer EMF samoindukcie cievky rovnaký ako v znižovacom zariadení. Kým je spínač zapojený a dióda sa zatvára, kondenzátor poskytuje energiu. Ktorékoľvek z týchto zariadení je možné zostaviť vlastnými rukami.

Užitočná rada: namiesto diód môžete použiť spínače (tyristor alebo tranzistor). Musia však vykonávať operácie, ktoré sú opakom primárneho kľúča. Inými slovami, keď sa hlavný kľúč zatvorí, namiesto diódy by sa mal otvoriť kľúč. A naopak.

Na základe vyššie definovanej štruktúry stabilizátorov napätia s pulznou reguláciou je možné určiť tie vlastnosti, ktoré sú považované za výhody a ktoré sú nevýhodami.

Výhody

Výhody týchto zariadení sú:

1. Dosiahnuť takúto stabilizáciu, ktorá sa vyznačuje veľmi vysokým koeficientom, je celkom jednoduché.
2. Účinnosť na vysokej úrovni. Vzhľadom na skutočnosť, že tranzistor pracuje v spínacom algoritme, dochádza k nízkemu rozptylu výkonu. Tento rozptyl je podstatne menší ako pri lineárnych stabilizačných zariadeniach.
3. Schopnosť vyrovnávať napätie, ktoré na vstupe môže kolísať vo veľmi širokom rozsahu. Ak je prúd konštantný, potom tento rozsah môže byť od jedného do 75 voltov. Ak je prúd striedavý, potom tento rozsah môže kolísať medzi 90-260 voltmi.
4. Nedostatočná citlivosť na frekvenciu vstupného napätia a kvalitu napájania.
5. Konečné výstupné parametre sú celkom stabilné aj pri veľmi veľkých zmenách prúdu.
6. Zvlnenie napätia, ktoré vychádza z impulzného zariadenia, je vždy v rozsahu milivoltov a nezávisí od výkonu pripojených elektrických spotrebičov alebo ich prvkov.
7. Stabilizátor sa vždy jemne zapne. To znamená, že výstupný prúd nie je charakterizovaný skokmi. Aj keď je potrebné poznamenať, že pri prvom zapnutí je prúdový náraz vysoký. Na vyrovnanie tohto javu sa však používajú termistory, ktoré majú negatívny TCR.
8. Malé hodnoty hmotnosti a veľkosti.

Nedostatky

1. Ak hovoríme o nevýhodách týchto stabilizačných zariadení, tie spočívajú v zložitosti zariadenia. Kvôli veľkému počtu rôznych komponentov, ktoré môžu pomerne rýchlo zlyhať, a špecifickému spôsobu prevádzky sa zariadenie nemôže pochváliť vysokou úrovňou spoľahlivosti.
2. Neustále čelí vysokému napätiu. Počas prevádzky dochádza často k prepínaniu a pozorujú sa ťažké teplotné podmienky pre kryštál diódy. To jednoznačne ovplyvňuje vhodnosť pre usmernenie prúdu.
3. Časté prepínanie spínačov vytvára frekvenčné rušenie. Ich počet je veľmi veľký a to je negatívny faktor.

Užitočná rada: na odstránenie tohto nedostatku je potrebné použiť špeciálne filtre.

1. Sú inštalované na vchode aj na výstupe V prípade, že je potrebné vykonať opravy, sú tiež sprevádzané ťažkosťami. Tu stojí za zmienku, že nešpecialista nebude schopný poruchu opraviť.
2. Opravárenské práce môže vykonávať niekto, kto sa v takýchto prúdových meničoch dobre vyzná a má požadovaný počet zručností. Inými slovami, ak takéto zariadenie vyhorí a jeho používateľ nemá žiadne znalosti o vlastnostiach zariadenia, je lepšie ho odniesť na opravu špecializovaným firmám.
3. Pre neodborníkov je tiež ťažké nakonfigurovať stabilizátory spínacieho napätia, ktoré môžu zahŕňať 12 voltov alebo iný počet voltov.
4. Ak zlyhá tyristor alebo akýkoľvek iný spínač, na výstupe môžu vzniknúť veľmi zložité následky.
5. Medzi nevýhody patrí nutnosť použitia zariadení, ktoré budú kompenzovať účinník. Niektorí odborníci tiež poznamenávajú, že takéto stabilizačné zariadenia sú drahé a nemôžu sa pochváliť veľkým počtom modelov.

Oblasti použitia

Ale napriek tomu sa takéto stabilizátory dajú použiť v mnohých oblastiach. Najviac sa však používajú v rádionavigačných zariadeniach a elektronike.

Okrem toho sa často používajú pre LCD televízory a LCD monitory, napájacie zdroje pre digitálne systémy, ako aj pre priemyselné zariadenia, ktoré vyžadujú nízkonapäťový prúd.

Užitočná rada: V sieťach striedavého prúdu sa často používajú zariadenia na stabilizáciu impulzov. Samotné zariadenia premieňajú takýto prúd na jednosmerný prúd a ak potrebujete pripojiť používateľov, ktorí potrebujú striedavý prúd, musíte na vstupe pripojiť vyhladzovací filter a usmerňovač.

Stojí za zmienku, že akékoľvek nízkonapäťové zariadenie vyžaduje použitie takýchto stabilizátorov. Môžu byť tiež použité na priame nabíjanie rôznych batérií a napájanie vysokovýkonných LED diód.

Vzhľad

Ako je uvedené vyššie, meniče prúdu pulzného typu sa vyznačujú malými rozmermi. V závislosti od rozsahu vstupných voltov, pre ktoré sú navrhnuté, závisí ich veľkosť a vzhľad.

Ak sú navrhnuté na prevádzku s veľmi nízkym vstupným napätím, môžu pozostávať z malej plastovej škatule, z ktorej vybieha určitý počet vodičov.

Stabilizátory, určené pre veľký počet vstupných voltov, sú mikroobvody, v ktorých sú umiestnené všetky vodiče a ku ktorým sú pripojené všetky komponenty. Už ste sa o nich dozvedeli.

Vzhľad týchto stabilizačných zariadení závisí aj od ich funkčného účelu. Ak poskytujú regulovaný (striedavý) výstup napätia, potom je odporový delič umiestnený mimo integrovaného obvodu. V prípade, že zo zariadenia vychádza pevný počet voltov, potom je tento delič umiestnený už v samotnom mikroobvode.

Dôležité vlastnosti

Pri výbere spínacieho stabilizátora napätia, ktorý dokáže produkovať konštantné 5V alebo iný počet voltov, dávajte pozor na množstvo charakteristík.

Prvou a najdôležitejšou charakteristikou je minimálne a maximálne napätie, ktoré bude súčasťou samotného stabilizátora. Horná a dolná hranica tejto charakteristiky už bola zaznamenaná.

Druhým dôležitým parametrom je najvyššia úroveň výstupného prúdu.

Treťou dôležitou charakteristikou je nominálna úroveň výstupného napätia. Inými slovami, spektrum veličín, v rámci ktorých ho možno nájsť. Stojí za zmienku, že mnohí odborníci tvrdia, že maximálne vstupné a výstupné napätie je rovnaké.

V skutočnosti to však tak nie je. Dôvodom je zníženie vstupných voltov na spínacom tranzistore. Výsledkom je o niečo menší počet voltov na výstupe. Rovnosť môže nastať len vtedy, keď je zaťažovací prúd veľmi malý. To isté platí pre minimálne hodnoty.

Dôležitou charakteristikou každého pulzného meniča je presnosť výstupného napätia.

Užitočná rada: tomuto indikátoru by ste mali venovať pozornosť, keď stabilizačné zariadenie poskytuje výstup s pevným počtom voltov.

Dôvodom je, že rezistor je umiestnený v strede meniča a jeho presná činnosť je určená vo výrobe. Keď používateľ nastaví počet výstupných voltov, upraví sa aj presnosť.