Лабораторная работа №12 Исследование импульсных стабилизаторов напряжения
Цель работы: Изучить принцип действия, измерения параметров и расчета основных характеристик импульсных стабилизаторов напряжения.
Краткие теоретические сведения
Существую три основных схемы импульсных стабилизаторов напряжения (ИСН): последовательный импульсный стабилизатор напряжения понижающего типа (рисунок 1.12.1а), параллельный импульсный стабилизатор напряжения повышающего типа (рисунок 1.12.1б) и параллельный импульсный стабилизатор напряжения инвентирующего (1.12.1в) типа. Все схемы накопительный дроссель L, регулирующий элемент 1, блокировочный диод VD, элементы управления 2,3 и конденсатор фильтра С.
Импульсные стабилизаторы теоретически достигают коэффициента полезного действия 100%. Это позволяет создавать достаточно мощные стабилизаторы с небольшими габаритами и очень малыми потерями. В реальных устройствах достигается КПД, равный 85 ... 95%. В этом смысле импульсные стабилизаторы работают как трансформаторы постоянного тока. Высокий КПД достигается за счет ключевого режима работы регулирующего элемента. Основной недостаток импульсныхгенераторов – это высокий уровень помех, что делает их непригодными в ряде узлов радиоэлектронных устройств.
Импульсный стабилизатор осуществляет преобразование напряжения за счет явления самоиндукции в индуктивности накопительного дросселя L. При этом в зависимости от схемы включения дросселя импульсные стабилизаторы могут понижать или повышать выходное напряжение, приведены на рисунке 1.12.1а и 1.12.1б. Импульсные стабилизаторы могут изменять полярность постоянного напряжения (рисунок 1.12.1в).
Рисунок 1.12.1 Структурные схемы импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа (а), параллельного ИСН повышающего (б) и инвентирующего (в) типа
В параллельном импульсном стабилизаторе напряжения понижающего типа (рисунок 1.12.1а), когда ключ замкнут, ток от источника первичного питания протекает через дроссель L. При этом он накапливает энергию в магнитном поле. По мере насыщения магнитного потока дросселя, ток, протекающий через него, а значит и ток силового ключа нарастает. Когда он размыкается, ток, протекающий через дроссель, не может мгновенно упасть до нуля за счет самоиндукции и продолжает протекать в нагрузку через открытый диод VD. Индуктивность дросселя должна быть больше критической, чтобы ток в нём не уменьшался до нуля. При этом условии напряжение на нагрузке также не будет иметь провалов и его среднее значение будет равно заданному значению.
Подобным образом работает и параллельный импульсный стабилизатор напряжения повышающего типа на рисуке 1.12.1б. Накопление энергии происходит в дросселе L. Отличие заключается в том, что в этот момент времени ток на выход устройства не поступает, и нагрузка питается от энергии, запасенной в конденсаторе С. После размыкания ключа, источник питания и дроссель L оказываются включенными последовательно. Напряжение, формируемое ими, суммируется и через открытый диод VD1 поступает на выход схемы. Таким образом, напряжение на выходе всегда будет больше входного.
При работе данной схемы следует учитывать тот факт, что ток, протекающий через ключ K1 может быть больше тока, протекающего через нагрузку. В результате напряжение, формирующееся на дросселе L1, будет больше напряжения питания. Иными словами, дроссель L1 в схеме, приведенной на рисунке 2, работает как трансформатор напряжения.
В параллельном инвентирующем импульсном стабилизаторе напряжения инвентирующего типа (рисунок 1.12.1в) дроссель L включен параллельно нагрузке Rn, а регулирующий элемент 1 включен последовательно с ней. Блокирующий диод отделяет конденсатор фильтра С и нагрузку Rn от регулирующего элемента по постоянному току. Стабилизатор инвертирует полярности выходного напряжения U0 отностительно полярности входного напряжения питания.
Наибольшее распространение на практике получил последовательный ИСН (рисунок 1.12.1а), в котором накопительный дроссель одновременно является элеменом сглаживающего LC-фильтра.