Импульсный регулятор напряжения: Импульсный стабилизатор напряжения — это… Что такое Импульсный стабилизатор напряжения?

Содержание

7 схем импульсных стабилизаторов напряжения на транзисторах

Схемы самодельных импульсных DC-DC преобразователей напряжения на транзисторах, семь примеров.

Благодаря высокому КПД импульсные стабилизаторы напряжения получают в последнее время все более широкое распространение, хотя они, как правило, сложнее и содержат большее число элементов.

Поскольку в тепловую энергию преобразуется лишь малая доля подводимой к импульсному стабилизатору энергии, его выходные транзисторы меньше нагреваются, следовательно, за счет снижения площади теплоотводов снижаются масса и размеры устройства.

Ощутимым недостатком импульсных стабилизаторов является наличие на выходе высокочастотных пульсаций, что заметно сужает область их практического использования — чаще всего импульсные стабилизаторы используют для питания устройств на цифровых микросхемах.

Понижающий импульсный стабилизатор напряжения

Стабилизатор с выходным напряжением, меньшим входного, можно собрать на трех транзисторах (рис. 1), два из которых (VT1, VT2) образуют ключевой регулирующий элемент, а третий (ѴТЗ) является усилителем сигнала рассогласования.

Рис. 1. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД 84%.

Устройство работает в автоколебательном режиме. Напряжение положительной обратной связи с коллектора составного транзистора ѴТ1 через конденсатор С2 поступает в цепь базы транзистора ѴТ2.

Элементом сравнения и усилителем сигнала рассогласования является каскад на транзисторе ѴТЗ. Его эмиттер подключен к источнику опорного напряжения — стабилитрону VD2, а база — к делителю выходного напряжения R5 — R7.

В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент работает в ключевом режиме, поэтому выходное напряжение регулируется изменением скважности работы ключа.

Включением/выключением транзистора VT1 по сигналу транзистора ѴТЗ управляет транзистор ѴТ2. В моменты, когда транзистор ѴТ1 открыт, в дросселе L1, благодаря протеканию тока нагрузки, запасается электромагнитная энергия.

После закрывания транзистора запасенная энергия через диод VD1 отдается в нагрузку. Пульсации выходного напряжения стабилизатора сглаживаются фильтром L1, C3.

Характеристики стабилизатора целиком определяются свойствами транзистора ѴТ1 и диода VD1, быстродействие которых должно быть максимальным. При входном напряжении 24 В, выходном — 15 В и токе нагрузки 1 А измеренное значение КПД было равно 84%.

Дроссель L1 имеет 100 витков провода диаметром 0,63 мм на кольце К26х16х12 из феррита с магнитной проницаемостью 100. Его индуктивность при токе подмагничивания 1 А — около 1 мГн.

Step-down DC-DC преобразователь напряжения на +5В

Схема простого импульсного стабилизатора показана на рис. 2. Дроссели L1 и L2 намотаны на пластмассовых каркасах, помещенных в броневые магнитопроводы Б22 из феррита М2000НМ.

Дроссель L1 содержит 18 витков жгута из 7 проводов ПЭВ-1 0,35. Между чашками его магнитопровода вложена прокладка толщиной 0,8 мм.

Активное сопротивление обмотки дросселя L1 27 мОм. Дроссель L2 имеет 9 витков жгута из 10 проводов ПЭВ-1 0,35. Зазор между его чашками — 0,2 мм, активное сопротивление обмотки — 13 мОм.

Прокладки можно изготовить из жесткого теплостойкого материала — текстолита, слюды, электрокартона. Винт, скрепляющий чашки магнитопровода, должен быть из немагнитного материала.

Рис. 2. Схема простого ключевого стабилизатора напряжения с КПД 60%.

Для налаживания стабилизатора к его выходу подключают нагрузку сопротивлением 5...7 Ом и мощностью 10 Вт. Подбором резистора R7 устанавливают номинальное выходное напряжение, затем увеличивают ток нагрузки до 3 А и, подбирая величину конденсатора С4, устанавливают такую частоту генерации (примерно 18...20 кГц), при которой высокочастотные выбросы напряжения на конденсаторе C3 минимальны.

Выходное напряжение стабилизатора можно довести до 8...10В, увеличив величину резистора R7 и установив новое значение рабочей частоты. При этом мощность, рассеиваемая на транзисторе ѴТЗ, также увеличится.

В схемах импульсных стабилизаторов желательно использовать электролитические конденсаторы К52-1. Необходимую величину емкости получают параллельным включением конденсаторов.

Основные технические характеристики:

  • Входное напряжение, В — 15...25.
  • Выходное напряжение, В — 5.
  • Максимальный ток нагрузки, А — 4.
  • Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 4 А во всем диапазоне входных напряжений, мВ, не более — 50.
  • КПД, %, не ниже — 60.
  • Рабочая частота при входном напряжении 20 б и токе нагрузки 3А, кГц--20.

Улучшенный вариант импульсного стабилизатора на +5В

В сравнении с предыдущим вариантом импульсного стабилизатора в новой конструкции А. А. Миронова (рис. 3) усовершенствованы и улучшены такие его характеристики, как КПД, стабильность выходного напряжения, длительность и характер переходного процесса при воздействии импульсной нагрузки.

Рис. 3. Схема импульсного стабилизатора напряжения.

Оказалось, что при работе прототипа (рис. 2) возникает так называемый сквозной ток через составной ключевой транзистор. Этот ток появляется в те моменты, когда по сигналу узла сравнения ключевой транзистор открывается, а коммутирующий диод еще не успел закрыться. Наличие такого тока вызывает дополнительные потери на нагревание транзистора и диода и уменьшает КПД устройства.

Еще один недостаток — значительная пульсация выходного напряжения при токе нагрузки, близком к предельному. Для борьбы с пульсациями в стабилизатор (рис. 2) был введен дополнительный выходной LC-фильтр (L2, С5).

Уменьшить нестабильность выходного напряжения от изменения тока нагрузки можно только уменьшением активного сопротивления дросселя L2.

Улучшение динамики переходного процесса (в частности, уменьшение его длительности) связано с необходимостью уменьшения индуктивности дросселя, но при этом неизбежно увеличится пульсация выходного напряжения.

Поэтому оказалось целесообразным исключить этот выходной фильтр, а емкость конденсатора С2 увеличить в 5... 10 раз (параллельным соединением нескольких конденсаторов в батарею).

Цепь R2, С2 в исходном стабилизаторе (рис. 6.2) практически не изменяет длительности спада выходного тока, поэтому ее можно удалить (замкнуть резистор R2), а сопротивление резистора R3 увеличить до 820 Ом.

Но тогда при увеличении входного напряжения с 15 6 до 25 6 ток, протекающий через резистор R3 (в исходном устройстве), будет увеличиваться в 1,7 раза, а мощность рассеивания — в 3 раза (до 0,7 Вт).

Подключением нижнего по схеме вывода резистора R3 (на схеме доработанного стабилизатора это резистор R2) к плюсовому выводу конденсатора С2 этот эффект можно ослабить, но при этом сопротивление R2 (рис. 3) должно быть уменьшено до 620 Ом.

Один из эффективных путей борьбы со сквозным током — увеличение времени нарастания тока через открывшийся ключевой транзистор.

Тогда при полном открывании транзистора ток через диод VD1 уменьшится почти до нуля. Этого можно достигнуть, если форма тока через ключевой транзистор будет близка к треугольной.

Как показывает расчет, для получения такой формы тока индуктивность накопительного дросселя L1 не должна превышать 30 мкГч.

Еще один путь — применение более быстродействующего коммутирующего диода VD1, например, КД219Б (с барьером Шотки). У таких диодов выше быстродействие и меньше падение напряжения при одном и том же значении прямого тока по сравнению с обычными кремниевыми высокочастотными диодами. Конденсатор С2 типа К52-1.

Улучшение параметров устройства может быть получено и при изменении режима работы ключевого транзистора. Особенность работы мощного транзистора ѴТЗ в исходном и улучшенном стабилизаторах состоит в том, что он работает в активном режиме, а не в насыщенном, и поэтому имеет высокое значение коэффициента передачи тока и быстро закрывается.

Однако из-за повышенного напряжения на нем в открытом состоянии рассеиваемая мощность в 1,5...2 раза превышает минимально достижимое значение.

Уменьшить напряжение на ключевом транзисторе можно подачей положительного (относительно плюсового провода питания) напряжения смещения на эмиттер транзистора ѴТ2 (см. рис. 3).

Необходимую величину напряжения смещения подбирают при налаживании стабилизатора. Если он питается от выпрямителя, подключенного к сетевому трансформатору, то для получения напряжения смещения можно предусмотреть отдельную обмотку на трансформаторе. Однако при этом напряжение смещения будет изменяться вместе с сетевым.

Схема преобразователя со стабильным напряжением смещения

Для получения стабильного напряжения смещения стабилизатор надо доработать (рис. 4), а дроссель превратить в трансформатор Т1, намотав дополнительную обмотку II. Когда ключевой транзистор закрыт, а диод VD1 открыт, напряжение на обмотке I определяется из выражения: U1=UBыx + U VD1.

Поскольку напряжение на выходе и на диоде в это время меняется незначительно, то независимо от значения входного напряжения на обмотке II напряжение практически стабильно. После выпрямления его подают на эмиттер транзистора VT2 (и VT1).

Рис. 4. Схема модифицированного импульсного стабилизатора напряжения.

Потери на нагрев снизились в первом варианте доработанного стабилизатора на 14,7%, а во втором — на 24,2%, что позволяет им работать при токе нагрузки до 4 А без установки ключевого транзистора на теплоотвод.

В стабилизаторе варианта 1 (рис. 3) дроссель L1 содержит 11 витков, намотанных жгутом из восьми проводов ПЭВ-1 0,35. Обмотку помещают в броневой магнитопровод Б22 из феррита 2000НМ.

Между чашками нужно заложить прокладку из текстолита толщиной 0,25 мм. В стабилизаторе варианта 2 (рис. 4) трансформатор Т1 образован намоткой поверх катушки дросселя L1 двух витков провода ПЭВ-1 0,35.

Вместо германиевого диода Д310 можно использовать кремниевый, например, КД212А или КД212Б, при этом число витков обмотки II нужно увеличить до трех.

DC стабилизатор напряжения с ШИМ

Стабилизатор с широтно-импульсным управлением (рис. 5) по принципу действия близок к стабилизатору, описанному в, но, в отличие от него, имеет две цепи обратной связи, соединенные таким образом, что ключевой элемент закрывается при превышении напряжения на нагрузке или увеличении тока, потребляемого нагрузкой.

При подаче питания на вход устройства ток, текущий через резистор R3, открывает ключевой элемент, образованный транзисторами VT.1, VT2, в результате чего в цепи транзистор VT1 — дроссель L1 — нагрузка — резистор R9 возникает ток. Происходит заряд конденсатора С4 и накопление энергии дросселем L1.

Если сопротивление нагрузки достаточно большое, то напряжение на ней достигает 12 Б, и стабилитрон VD4 открывается. Это приводит к открыванию транзисторов VT5, ѴТЗ и закрыванию ключевого элемента, а благодаря наличию диода VD3 дроссель L1 отдает накопленную энергию нагрузке.

Рис. 5. Схема стабилизатора с широтно-импульсным управлением с КПД до 89%.

Технические характеристики стабилизатора:

  • Входное напряжение — 15...25 В.
  • Выходное напряжение — 12 В.
  • Номинальный ток загрузки — 1 А.
  • Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 1 А — 0,2 В. КПД (при UBX =18 6, Ін=1 А) — 89%.
  • Потребляемый ток при UBX=18 В в режиме замыкания цепи нагрузки — 0,4 А.
  • Выходной ток короткого замыкания (при UBX =18 6) — 2,5 А.

По мере уменьшения тока через дроссель и разряда конденсатора С4 напряжение на нагрузке также уменьшится, что приведет к закрыванию транзисторов VT5, ѴТЗ и открыванию ключевого элемента. Далее процесс работы стабилизатора повторяется.

Конденсатор С3, снижающий частоту колебательного процесса, повышает эффективность стабилизатора.

При малом сопротивлении нагрузки колебательный процесс в стабилизаторе происходит иначе. Нарастание тока нагрузки приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R9, открыванию транзистора ѴТ4 и закрыванию ключевого элемента.

Далее процесс протекает аналогично описанному выше. Диоды VD1 и VD2 способствуют более резкому переходу устройства из режима стабилизации напряжения в режим ограничения тока.

Во всех режимах работы стабилизатора потребляемый им ток меньше тока нагрузки. Транзистор ѴТ1 следует установить на теплоотводе размерами 40x25 мм.

Дроссель L1 представляет собой 20 витков жгута из трех проводов ПЭВ-2 0,47, помещенных в чашечный магнитопровод Б22 из феррита 1500НМЗ. Магнитопровод имеет зазор толщиной 0,5 мм из немагнитного материала.

Стабилизатор несложно перестроить на другое выходное напряжение и ток нагрузки. Выходное напряжение устанавливают выбором типа стабилитрона VD4, а максимальный ток нагрузки — пропорциональным изменением сопротивления резистора R9 или подачей на базу транзистора ѴТ4 небольшого тока от отдельного параметрического стабилизатора через переменный резистор.

Для снижения уровня пульсаций выходного напряжения целесообразно применить LC-фильтр, аналогичный используемому в схеме на рис. 2.

Импульсный стабилизатор напряжения с КПД преобразования 69...72%

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6) состоит из узла запуска (R3, VD1, ѴТ1, VD2), источника опорного напряжения и устройства сравнения (DD1.1, R1), усилителя постоянного тока (ѴТ2, DD1.2, ѴТ5), транзисторного ключа (ѴТЗ, ѴТ4), индуктивного накопителя энергии с коммутирующим диодом (VD3, L2) и фильтров — входного (L1, С1, С2) и выходного (С4, С5, L3, С6). Частота переключения индуктивного накопителя энергии в зависимости от тока нагрузки находится в пределах 1,3...48 кГц.

Рис. 6. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД преобразования 69...72%.

Все катушки индуктивности L1 — L3 одинаковы и намотаны в броневых магнитопроводах Б20 из феррита 2000НМ с зазором между чашками около 0,2 мм.

Обмотки содержат по 20 витков жгута из четырех проводов ПЭВ-2 0,41. Можно применить также кольцевые ферритовые магнитопроводы с зазором.

Номинальное выходное напряжение 5 В при изменении входного от 8 до 60 б и КПД преобразования 69...72%. Коэффициент стабилизации — 500.

Амплитуда пульсаций выходного напряжения при токе нагрузки 0,7 А — не более 5 мВ. Выходное сопротивление — 20 мОм. Максимальный ток нагрузки (без теплоотводов для транзистора VT4 и диода VD3) — 2 А.

Импульсный стабилизатор напряжения на 12В

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6.7) при входном напряжении 20...25 В обеспечивает на выходе стабильное напряжение 12 В при токе нагрузки 1,2 А.

Пульсации на выходе до 2 мВ. Благодаря высокому КПД в устройстве не используются теплоотводы. Индуктивность дросселя L1 — 470 мкГч.

Рис. 7. Схема импульсного стабилизатора напряжения с малыми пульсациями.

Аналоги транзисторов: ВС547 — КТ3102А] ВС548В — КТ3102В. Приблизительные аналоги транзисторов ВС807 — КТ3107; BD244 — КТ816.

Источник: Шустов М. А. - Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.

Импульсный стабилизатор напряжения - принцип действия

Линейные стабилизаторы имеют общий недостаток – это малый КПД и высокое выделение тепла. Мощные приборы, создающие нагрузочный ток в широких пределах имеют значительные габариты и вес. Чтобы компенсировать эти недостатки, разработаны и используются импульсные стабилизаторы.

Устройство, поддерживающее в постоянном виде напряжение на потребителе тока с помощью регулировки электронным элементом, действующим в режиме ключа. Импульсный стабилизатор напряжения, так же как и линейный существует последовательного и параллельного вида. Роль ключа в таких моделях исполняют транзисторы.

Так как действующая точка стабилизирующего устройства практически постоянно расположена в области отсечки или насыщения, проходя активную область, то в транзисторе выделяется немного тепла, следовательно, импульсный стабилизатор имеет высокий КПД.

Стабилизация осуществляется с помощью изменения продолжительности импульсов, а также управления их частотой. Вследствие этого различают частотно-импульсное, а другими словами широтное регулирование. Импульсные стабилизаторы функционируют в комбинированном импульсном режиме.

В устройствах стабилизации с регулированием широтно-импульсным частота импульсов имеет постоянную величину, а продолжительность действия импульсов является непостоянным значением. В приборах с регулированием частотно-импульсным продолжительность импульсов не изменяется, меняют только частоту.

На выходе устройства напряжение представлено в виде пульсаций, соответственно оно не годится для питания потребителя. Перед подачей питания на нагрузку потребителя, его нужно выровнять. Для этого на выходе импульсных стабилизаторов монтируют выравнивающие емкостные фильтры. Они бывают многозвенчатыми, Г-образными и другими.

Средняя величина напряжения, поданная на нагрузку, вычисляется по формуле:

  • Ти – продолжительность периода.
  • tи – продолжительность импульса.
  • Rн – значение сопротивления потребителя, Ом.
  • I(t) – значение тока, проходящего по нагрузке, ампер.

Ток может перестать протекать по фильтру к началу следующего импульса, в зависимости от индуктивности. В этом случае идет речь о режиме действия с переменным током. Ток также может дальше протекать, тогда имеют ввиду функционирование с постоянным током.

При повышенной чувствительности нагрузки к импульсам питания, выполняют режим постоянного тока, не смотря со значительными потерями в обмотке дросселя и проводах. Если размер импульсов на выходе прибора незначителен, то рекомендуется функционирование при переменном токе.

Принцип работы

В общем виде импульсный стабилизатор включает в себя импульсный преобразователь с устройством регулировки, генератор, выравнивающий фильтр, снижающий импульсы напряжения на выходе, сравнивающее устройство, подающее сигнал разности входного и выходного напряжения.

Схема основных частей стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Напряжение на выходе прибора поступает на сравнивающее устройство с базовым напряжением. В результате получают пропорциональный сигнал. Его подают на генератор, предварительно усилив его.

При регулировании в генераторе разностный аналоговый сигнал модифицируют в пульсации с постоянной частотой и переменной продолжительностью. При регулировании частотно-импульсном продолжительность импульсов имеет постоянное значение. Она меняет частоту импульсов генератора в зависимости от свойств сигнала.

Образованные генератором управляющие импульсы проходят на элементы преобразователя. Транзистор регулировки действует в режиме ключа. Изменяя частоту или интервал импульсов генератора, есть возможность менять нагрузочное напряжение. Преобразователь модифицирует значение напряжения на выходе в зависимости от свойств управляющих импульсов. По теории в приборах с частотной и широтной регулировкой импульсы напряжения на потребителе могут отсутствовать.

При релейном принципе действия сигнал, который управляется стабилизатором, образуется с помощью триггера. При поступлении постоянного напряжения в прибор транзистор, работающий в качестве ключа, открыт, и повышает напряжение на выходе. сравнивающее устройство определяет сигнал разности, который достигнув некоторого верхнего предела, поменяет состояние триггера, и произойдет коммутация регулирующего транзистора на отсечку.

Напряжение на выходе станет уменьшаться. При падении напряжения до нижнего предела сравнивающее устройство определяет сигнал разности, переключающий снова триггер, и транзистор опять войдет в насыщение. Разность потенциалов на нагрузке прибора станет повышаться. Следовательно, при релейном виде стабилизации напряжение на выходе повышается, тем самым выравнивается. Предел срабатывания триггера настраивают с помощью корректировки амплитуды значения напряжения на сравнивающем устройстве.

Стабилизаторы релейного типа имеют повышенную скорость реакции, в отличие от приборов с частотным и широтным регулированием. Это является их преимуществом. В теории при релейном виде стабилизации на выходе прибора всегда будут импульсы. Это является их недостатком.

Повышающий стабилизатор

Импульсные повышающие стабилизаторы применяют вместе с нагрузками, разность потенциалов которых выше, чем напряжение на входе приборов. В стабилизаторе нет гальванической изоляции сети питания и нагрузки. Импортные повышающие стабилизаторы называются boost converter. Основные части такого прибора:

Транзистор вступает в насыщение, и ток проходит по цепи от положительного полюса по накопительному дросселю, транзистору. При этом накапливается энергия в магнитном поле дросселя. Нагрузочный ток может создать только разряд емкости С1.

Отключим выключающее напряжение с транзистора. При этом он вступит в положение отсечки, а следовательно на дросселе появится ЭДС самоиндукции. Оно будет коммутировано последовательно с напряжением входа, и подключено по диоду к потребителю. Ток пойдет по цепи от положительного полюса к дросселю, по диоду и нагрузке.

В этот момент магнитное поле индуктивного дросселя выдает энергию, а емкость С1 резервирует энергию для поддержки напряжения на потребителе после вхождения транзистора в режим насыщения. Дроссель является для резерва энергии и не работает в фильтре питания. При повторной подаче напряжения на транзистор, он откроется, и весь процесс пойдет заново.

Стабилизаторы с триггером Шмитта

Такой вид импульсного устройства имеет свои особенности наименьшим набором компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер. В его состав входит компаратор. Основной задачей компаратора является сравнивание величины выходной разности потенциалов с наибольшим допустимым.

Принцип действия аппарата с триггером Шмитта состоит в том, что при увеличении наибольшего напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноля с размыканием электронного ключа. В одно время разряжается дроссель. Когда напряжение доходит до наименьшего значения, то выполняется коммутация на единицу. Это обеспечивает замыкание ключа и прохождение тока на интергратор.

Такие приборы имеют отличия своей упрощенной схемой, но использовать их можно в особых случаях, так как импульсные стабилизаторы бывают только повышающими и понижающими.

Понижающий стабилизатор

Стабилизаторы импульсного типа, функционирующие с понижением напряжения, являются компактными и мощными приборами питания электрическим током. При этом они имеют низкую чувствительность к наводкам потребителя постоянным напряжением одного значения. Гальваническая изоляция выхода и входа в понижающих устройствах отсутствует. Импортные приборы получили название chopper. Выходное питание в таких устройствах постоянно находится меньше входного напряжения. Схема импульсного стабилизатора понижающего типа изображена на рисунке.

Подключим напряжение для управления истоком и затвором транзистора, который войдет в положение насыщения. По нему будет проходить ток по цепи от положительного полюса по выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении ток по диоду не протекает.

Отключим управляющее напряжение, которое выключает ключевой транзистор. После этого он будет находиться в положении отсечки. ЭДС индукции выравнивающего дросселя будет преграждать путь для изменения тока, который пойдет по цепи через нагрузку от дросселя, по общему проводнику, диод, и опять придет на дроссель. Емкость С1 будет разряжаться и будет удерживать напряжение на выходе.

При подаче отпирающей разницы потенциалов между истоком и затвором транзистора, он перейдет в режим насыщения и вся цепочка вновь повторится.

Инвертирующий стабилизатор

Импульсные стабилизаторы инвертирующего типа используют для подключения потребителей с постоянным напряжением, полюсность которого имеет противоположное направление полюсности разности потенциалов на выходе устройства. Его значение  может быть выше сети питания, и ниже сети, в зависимости от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция сети питания и нагрузки отсутствует. Импортные приборы инвертирующего типа называются buck-boost converter. На выходе таких приборов напряжение всегда ниже.

Подключим управляющую разность потенциалов, которое откроет транзистор между истоком и затвором. Он откроется, и ток пойдет по цепи от плюса по транзистору, дросселю к минусу. При таком процессе дроссель резервирует энергию с помощью своего магнитного поля. Отключим разность потенциалов управления от ключа на транзисторе, он закроется. Ток пойдет от дросселя по нагрузке, диоду, и возвратится в первоначальное положение. Резервная энергия на конденсаторе и магнитном поле будет расходоваться для нагрузки. Снова подадим питание на транзистор к истоку и затвору. Транзистор опять станет насыщаться и процесс повторится.

Преимущества и недостатки

Как и все приборы, модульный импульсный стабилизатор не идеален. Поэтому ему присущи минусы и плюсы. Разберем основные из преимуществ:

  • Простое достижение выравнивания.
  • Плавное подключение.
  • Компактные размеры.
  • Устойчивость выходного напряжения.
  • Широкий интервал стабилизации.
  • Повышенный КПД.

Недостатки прибора:

  • Сложная конструкция.
  • Много специфических компонентов, снижающих надежность устройства.
  • Необходимость в использовании компенсирующих устройств мощности.
  • Сложность работ по ремонту.
  • Образование большого количества помех частоты.

Допустимая частота

Функционирование импульсного стабилизатора возможно при значительной частоте преобразования. Это является основной отличительной чертой от устройств, имеющих трансформатор сети. Увеличение этого параметра дает возможность получить наименьшие габариты.

Для большинства приборов интервал частот будет равен 20-80 килогерц. Но при выборе ШИМ и ключевых приборов необходимо учесть высокие гармоники токов. Верхняя граница параметра ограничена определенными требованиями, которые предъявляются к радиочастотным приборам.

Сравнение линейного и импульсного регуляторов в промышленных применениях с шиной 24 В

15 ноября 2017

Рич Новаковски, Роберт Тэйлор (Texas Instruments)

Линейные регуляторы применяются уже в течение нескольких десятилетий. Некоторые разработчики до сих пор используют эти компоненты 20-летней давности не только в старых проектах, но и в новых. Другие продолжают делать свои собственные «линейники» из дискретных компонентов. В самом деле, в большинстве приложений сложно придумать что-то проще, чем линейные регуляторы. Однако в маломощных устройствах со входом 24 В, например, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) могут возникнуть проблемы с выделением тепла, если падение напряжения будет слишком большим. К счастью, благодаря тому, что появились небольшие импульсные регуляторы с широким входом по напряжению и с высоким КПД, у разработчиков есть несколько вариантов для выбора. Сравним три различных решения для преобразователя с входом 24 В и с выходными параметрами 5 В, 100 мА: синхронный понижающий преобразователь, интегрированный линейный регулятор и линейный регулятор на дискретных компонентах. Размеры, КПД системы, температурные характеристики, отклик на импульсную нагрузку, шумы, сложность и стоимость сопоставляются, чтобы помочь разработчикам выбрать наиболее оптимальное решение, отвечающее их требованиям.

Условия сравнения

Большинство индустриальных приложений работает от 24 В и требует 5 В для питания различных нагрузок, таких как логика и маломощные микропроцессоры. Выходной ток 100 мА выбран, так как его обычно достаточно для питания логики и процессоров. Однако на решение, что же все-таки применить – импульсный или линейный регулятор влияет, в первую очередь, мощность потерь, которую необходимо рассеять. Электрические схемы сравниваемых решений представлены на рисунках 1, 2 и 3. Все решения спроектированы на идентичных печатных платах с керамическими конденсаторами 1 мкФ на входе и 4,7 мкФ на выходе. В решении на рисунке 1 применяется микросхема TPS54061 производства компании Texas Instruments. Это – синхронный понижающий преобразователь со встроенными MOSFET. Следует обратить внимание, что это решение не требует диода, но необходимо использовать дроссель, 5 конденсаторов и 4 резистора.

Рис. 1. Импульсный понижающий конвертер со встроенными MOSFET

Данная микросхема имеет внешнюю компенсацию обратной связи, которая настроена для работы с такими же конденсаторами на входе и выходе, как и у линейных регуляторов на рисунках 2 и 3. На рисунке 2 изображена электрическая схема интегрированного линейного регулятора Texas Instruments LM317. У этой микросхемы широкий вход по напряжению, максимальный выходной ток 1,5 А, и в обвязке всего два резистора и два конденсатора. Микросхема очень популярна среди разработчиков благодаря простоте. Большая разница между входным и выходным напряжениями требует низкого теплового сопротивления корпуса, поэтому был выбран корпус D2PAK (double-decawatt package).

Рис. 2. Интегрированный линейный регулятор с широкополосным входом

На рисунке 3 изображен дискретный линейный регулятор, состоящий из транзистора и стабилитрона с двумя внешними конденсаторами и четырьмя внешними резисторами. Стабилитрон на базе биполярного NPN-транзистора устанавливает уровень напряжения 5,6 В. Из-за падения напряжения «база-эмиттер» напряжение на выходе стабилизируется на уровне приблизительно 5 В. Внешние резисторы используются для того чтобы уменьшить потери на NPN-транзисторе.

Рис. 3. Дискретный линейный регулятор

В таблице 1 все три решения сравниваются по количеству компонентов обвязки и площади, занимаемой на печатной плате. Линейные решения требуют больше места на плате, чтобы лучше отводить рассеиваемую мощность. При максимальной нагрузке каждый «линейник» должен рассеивать около 2 Вт мощности. Главное правило, о котором следует помнить, заключается в том, что на площади 1 дюйм2 при рассеянии мощности 1 Вт температура возрастает на 100°С. Линейные регуляторы спроектированы таким образом, чтобы максимальный рост температуры был не более 40°С. Если на печатной плате мало места – оптимально применить синхронный понижающий импульсный преобразователь, несмотря на большое количество внешних компонентов и необходимость выбрать дроссель и рассчитать цепочку компенсации обратной связи.

Таблица 1. Сравнение решений по занимаемой площади и количеству компонентов

Тип преобразователя Занимаемая площадь на печатной плате, дюйм² Количество компонентов Сложность решения
Импульсный (понижающий) (TPS54061) 0,14 11 Высокая
Интегрированный линейный (LM317) 2,25 5 Низкая
Дискретный линейный (стабилитрон/транзистор) 2,25 8 Средняя

Тепловые характеристики

Фотография на рисунке 4, сделанная тепловизором, отображает распределение температуры на печатной плате каждого из приведенных решений. Печатная плата спроектирована таким образом, что соседние схемы не влияют на нагрев друг друга.

Рис. 4. Выделяемое от каждой схемы тепло

Из таблицы 2 видно, что импульсный регулятор нагревается минимально, всего на 11°С. При большой разнице между входным и выходным напряжением импульсный регулятор с синхронным выпрямлением значительно превосходит по КПД линейные решения (таблица 3). Интересно отметить, что температура в рабочем режиме интегрированного линейного регулятора отличается от температуры дискретного «линейника». Из-за того, что интегрированный линейный регулятор исполнен в более крупном корпусе D2PAK, он рассеивает мощность на большей площади. Дискретное решение выполнено с использованием корпусов SOT-23 и SOT-223, которые меньше, чем D2PAK. Следовательно, у них больше тепловое сопротивление, что затрудняет отвод рассеиваемой мощности.

Таблица 2. Сравнение по тепловым характеристикам

Тип преобразователя Разница температур, °С Максимальная температура, °С Корпус
Импульсный (понижающий) 11 40,7 3×3 мм VSON
Интегрированный линейный 27 56,2 D2PAK
Дискретный линейный 40 69,1 SOT-23, SOT-223

Сравнение по КПД

Температурная картина напрямую зависит от КПД каждого регулятора. На рисунке 5 изображено сравнение по КПД каждой из трех схем. Как и ожидалось, импульсный регулятор превосходит остальные регуляторы при малой и при максимальной нагрузках.

Рис. 5. КПД в зависимости от тока нагрузки

При небольших нагрузках потери переключения и ток собственного потребления становятся более явными. Это объясняет снижение КПД при небольших нагрузках. На малой нагрузке нагляднее будет посмотреть график потерь мощности (рисунок 6). При токе нагрузки 10 мА и напряжении питания 24 В разница КПД между импульсным и линейным решениями составляет 50%. Потери мощности в этой рабочей точке импульсного конвертера составляют 2,8 мВт, а потери линейного регулятора – 345 мВт. На максимальной нагрузке потери «импульсника» составляют 93 мВт, потери линейного регулятора – 2,06 Вт.

Рис. 6. Потери мощности в зависимости от тока нагрузки

В таблице 3 приводится сравнение КПД и потерь мощности для всех решений. Следует обратить внимание, что ток собственного потребления дискретного линейного регулятора меньше, чем у интегрированного линейного регулятора. Но интегрированное решение, в свою очередь, сочетает в себе больше различных функций, чем дискретный «линейник».

Таблица 3. Сравнение по потерям мощности и КПД

Тип преобразователя  Максимальная нагрузка Без нагрузки
КПД, %  Мощность потерь, Вт Ток собственного потребления, мА
Импульсный (понижающий) 84,5  0,093 0,5
Интегрированный линейный 20,0  2,06 5,5
Дискретный линейный 20,1  2,02 4

Выходные характеристики

Аналоговые цепи могут быть чувствительны к пульсациям напряжения, а цифровые процессоры – к точному значению напряжения центрального ядра. Для таких чувствительных нагрузок важно контролировать пульсации напряжения, точность выходного напряжения и максимальные отклонения напряжения при переходных процессах. Линейные регуляторы сами по себе имеют малые пульсации и используются для фильтрации шума импульсных регуляторов. Выходные пульсации напряжения линейных регуляторов обоих типов составляют не более 10 мВ. В процентном соотношении этот показатель составляет 0,2%. С другой стороны, пульсации напряжения импульсного регулятора составляют 75 мВ или 1,5% выходного напряжения. Низкое значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсатора на выходе импульсного регулятора позволяет уменьшить пульсации выходного напряжения, даже несмотря на характерный уровень шума на выходе. Сравнивая точность выходного напряжения импульсного регулятора и линейных регуляторов при переходе от режима холостого хода до максимальной нагрузки, получаем наилучшее значение этого параметра у «импульсника». Дальнейшее исследование параметров всех трех решений обнаруживает, что опорное напряжение в цепи обратной связи импульсного регулятора – наиболее стабильное. Дискретный линейный регулятор использует достаточно простой способ регулирования выходного напряжения, поэтому у него худшие параметры в сравнении с остальными решениями. Во многих случаях очень точное напряжение не требуется, так как, к примеру, достаточно часто напряжение 5 В конвертируется в более низкие номиналы с помощью дополнительных регуляторов. Отклик на импульсное изменение нагрузки для всех типов регуляторов изображен на рисунках 7…9.

Рис. 7. Импульсный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку Рис. 8. Интегрированный линейный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку Рис. 9. Дискретный линейный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку

Хотя импульсный регулятор имеет достаточно высокую точность выходного напряжения, отклонение этого параметра при отработке импульсной нагрузки оказывается хуже, чем у линейных решений. Отклонение выходного напряжения при скачке выходного тока 50…100 мА составляет 250 мВ или 5% от выходного напряжения. При этом для линейных решений отклонение составляет 40 мВ. На выход импульсного регулятоpa можно добавить дополнительную емкость для уменьшения отклонения напряжения. Но это, в свою очередь, повлияет на стоимость и площадь, занимаемую на печатной плате. Стоит обратить внимание, что дискретный линейный регулятор не спроектирован специально для отработки скачков выходного тока, а также не имеет защиты по максимальному току и функции отключения по превышению температуры. В таблице 4 изображены выходные характеристики каждого из рассматриваемых решений.

Таблица 4. Сравнение характеристик выходного напряжения

Тип регулятора Пульсации Vout, мВ Отклонение выходного напряжения при импульсной нагрузке 50…100 мА Ошибка регулирования при импульсной нагрузке 0…100 мА
Импульсный 75 250 1,5
Интегрированный линейный <10 40 0,7
Дискретный линейный <10 40 21,8

Сравнение по стоимости

Большинство внешних компонентов, применяемых в этих схемах – резисторы и конденсаторы миниатюрного размера, стоящие менее 0,01$. Комплексная стоимость спецификации всех решений представлена в таблице 5. Стоимость рассчитана исходя из количества 10 тыс. шт. по ценам, актуальным для США на дату написания данной статьи. Легко заметить, что линейные решения стоят в несколько раз дешевле, чем импульсный регулятор. Это связано с тем, что «импульсник» требует наличия внешнего дросселя, который может стоить 0,10$, да и сама микросхема стоит намного дороже. Но, несмотря на существенную разницу в стоимости, отличные технические характеристики импульсного преобразователя могут оказаться более важными, чем высокая цена. Разница в цене между линейными решениями составляет всего 0,06$ в пользу дискретного решения. Но функции защиты, встроенные в интегрированный линейный регулятор могут оказаться ценнее небольшой экономии.

Таблица 5. Сравнение стоимости комплектующих по спецификации

Тип регулятора Стоимость спецификации при 1 тыс. шт., $
Импульсный 1,80
Интегрированный линейный 0,32
Дискретный линейный 0,26

Заключение

Существует множество доступных разработчикам решений в области управления электропитанием. Наиболее оптимальное решение можно выбрать, только отталкиваясь от конкретной технической задачи. Решения по управлению электропитанием, которые снижают потребление энергии и уменьшают площадь, занимаемую на печатной плате, являются наиболее привлекательными на рынке на текущий момент. Синхронный понижающий импульсный преобразователь позволяет значительно улучшить КПД преобразования и уменьшить размер по сравнению с линейными решениями. Если перед разработчиком стоит задача максимально удешевить изделие – на помощь придет линейный регулятор на дискретных компонентах. Но за это придется заплатить отсутствием защитных функций, достаточно низким КПД и затратами на радиатор для хорошего теплоотвода. В таблице 6 приводится комплексное сравнение всех трех регуляторов, чтобы помочь разработчику выбрать именно то решение, которое наилучшим образом подходит для конкретной технической задачи.

Таблица 6. Характеристики регуляторов 5 В/100 мА со входом 24 В

Тип регулятора Стоимость BOM при 1 тыс. шт., $ Пульсации Vout, мВ КПД при максимальной нагрузке Занимаемое место на плате, дюйм² Сложность решения
Импульсный 1,80 75 84,5 0,14 Высокая
Интегрированный линейный 0,32 <10 20,0 2,25 Низкая
Дискретный линейный 0,26 <10 20,1 2,25 Средняя

Оригинал статьи.

•••

Наши информационные каналы

Импульсный стабилизатор напряжения: характеристики и особенности

Если вы желаете нормализовать подачу электроэнергии, тогда вам необходимо использовать импульсный стабилизатор напряжения. Это устройство способно надежно защитить ваши бытовые приборы от скачков напряжения.

Главным элементом этого стабилизатора считается регулирующий и интегрирующий элемент. Первый элемент способен нормализовать подачу напряжения. Интегрирующий элемент отвечает за накопление электроэнергии.

Импульсный стабилизатор напряжения и его принцип работы

Главным принципом работы считается то, что при закрытии электрической сети стабилизатор начнет накапливать электроэнергию. После размыкания сети накапливающий элемент выполнит передачу напряжения. Благодаря этому вы сможете избежать скачков и значительно понизить напряжение.

Накапливающий элемент может быть разным и все зависит от ряда факторов. Импульсные регуляторы могут работать двумя различными способами. Первый способ предполагает в себе использование ШИМ, а второй предполагает использование триггера Шмитта. Если вы не знаете, какие бывают стабилизаторы напряжения, тогда нужно прочесть соответствующую статью.

Стабилизатор с использованием ШИМ

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, который работает на основе ШИМ, имеет в своем составе:

  1. Генератор.
  2. Операционный усилитель.
  3. Модулятор.

Работа ключа будет напрямую зависеть от напряжения. Влияние на скважность импульсов происходит с помощью частоты генератора и емкости интегратора. Когда ключ размыкается, начинается процесс передачи электричества. Также в устройстве присутствует операционный усилитель, который сравнить показатели входного и выходного напряжения и передаст их на модулятор.

Конечные импульсы могут характеризоваться отклонением скважности. Именно эти импульсы могут определять поведение ключа.

Стабилизатор с триггером Шмитта

Стабилизаторы, которые используют для своей работы триггер Шмитта, не содержат в себе большое количество элементов. Здесь главным элементом является именно триггер Шмитта, в который входит компаратор. Задачей этого устройства является сравнение напряжения.

Также следует отметить, что импульсные стабилизационные устройства могут работать только в отдельных направлениях. Они могут быть как понижающими, так и повышающими. Также можно встретить устройство, которое может изменять подачу напряжения. Если вы не знаете, зачем нужен стабилизатор напряжения, тогда нужно прочесть эту статью.

Схема понижающего импульсного стабилизационного устройства

Если разобраться детально, тогда можно понять, что схема импульсного стабилизатора состоит из:

  1. Транзистора.
  2. Катушки индуктивности.
  3. Конденсатора.
  4. Диода.
  5. Нагрузки.
  6. Устройства управления.

Если изучить схему этого устройства, тогда можно понять, что они могут иметь, как преимущества, так и недостатки.

Преимущества

Преимуществами импульсным стабилизаторов считаются:

  1. Достаточно легкое достижение стабилизации.
  2. Высокое КПД. Этого показателя удалось добиться благодаря использованию транзистора.
  3. Значительного отсутствия чувствительности к частоте напряжения.
  4. Включение импульсного стабилизатора всегда происходит мягко.
  5. Устройство имеет небольшие размеры.

Недостатки

Кроме, преимуществ импульсные стабилизаторы также могут иметь и определенные недостатки. К основным из них можно отнести:

  1. Устройство имеет высокую сложность. Здесь совмещено большое количество элементов и поэтому они могут выйти из строя.
  2. Во время работы у стабилизатора могут возникать проблемы с перегрузкой. Это переходит из-за частого переключения.
  3. Если возникнет поломка, тогда ликвидировать ее должен только профессионал.
  4. Проводить настройку устройства должен только профессионал.
  5. Если из строя выйдет тиристор, тогда на выходе вы сможете встретить проблемы с напряжением.

Сфера применения

Несмотря на сложность в работе импульсные стабилизаторы применяются практически везде. Наиболее распространенной считается сфера в радионавигационном оборудовании. Также их могут применять для телевизоров, которые имеют жидкокристаллический дисплей. Также их используют для оборудования, которое требует небольшое количество вольт.

Любой низковольтный прибор требует использования этого стабилизатора. Также их можно использовать для зарядки различных аккумуляторов.

Рекомендуем прочесть: защита электропроводки стабилизатором.

Широтно-импульсный регулятор для автомобиля. Автоматика в быту. Электронные устройства автоматики.

 

Широтно - импульсные  регуляторы  постоянного тока

 

           Необходимость регулировки постоянного напряжения  для питания мощных  инерционных нагрузок чаще всего возникает у владельцев автомобилей и другой  авто-мото техники.   Например, появилось  желание  плавно менять яркость ламп освещения салона,  габаритных огней, автомобильных  фар  или вышел из строя  узел регулирования оборотов вентилятора автомобильного кондиционера, а замены нет.  Осуществить такое желание  иногда  нет возможности из-за большого тока потребления этими устройствами - если устанавливать транзисторный  регулятор напряжения, компенсационный или параметрический,  на регулирующем транзисторе будет выделяться очень большая мощность, что потребует установки больших радиаторов или  введения принудительного охлаждения с помощью малогабаритного вентилятора от компьютерных устройств.  Выходом из положения является применение широтно - импульсных  схем,  управляющих мощными полевыми силовыми транзисторами MOSFET. Эти транзисторы  могут коммутировать очень большие токи ( до 160А и более)  при напряжении на затворе 12 - 15 В.  Сопротивление открытого транзистора очень мало, что позволяет заметно снизить рассеиваемую мощность.  Схемы управления должны обеспечивать разность напряжений между затвором и истоком не менее 12 ... 15 В, в противном случае сопротивление канала сильно увеличивается и  рассеиваемая мощность значительно возрастает, что может привести перегреву транзистора и выходу его из строя.   Для  широтно - импульсных  автомобильных  низковольтных  регуляторов  выпускаются специализированные микросхемы , например U6080B ... U6084B,  L9610,  L9611,   которые содержат узел повышения  выходного напряжения до 25 -30 В при напряжении питания 7 -14 В, что позволяет включать выходной  транзистор по схеме с общим стоком, чтобы можно было подключать нагрузку  с общим минусом, но достать их практически невозможно. Для  большинства нагрузок, которые  потребляют ток не более 10А и не могут вызвать просадку бортового напряжения можно использовать простые схемы без дополнительного узла повышения напряжения. Такие схемы рассмотрены в этом разделе.

 Первый ШИМ регулятор собран на инверторах  логической КМОП  микросхемы.  Схема представляет собой генератор  прямоугольных импульсов на двух логических элементах, в котором за счёт диодов  раздельно меняется постоянная времени заряда и разряда  частотозадающего конденсатора, что позволяет изменять скважность  выходных импульсов и  значение эффективного напряжения на нагрузке. В схеме можно использовать любые инвертирующие КМОП элементы, например К176ПУ2, К561ЛН1,  а также любые  элементы И, ИЛИ-НЕ, например К561ЛА7, К561ЛЕ5 и подобные, соответственно  сгруппировав их входы. Полевой транзистор может быть любым из MOSFET, которые выдерживают  максимальный ток нагрузки, но желательно использовать транзистор с как можно большим максимальным током, т.к. у него меньшее сопротивление открытого канала, что уменьшает рассеиваемую мощность и позволяет использовать радиатор меньшей площади.  Достоинство схемы - простота и доступность элементов, недостатки - диапазон изменения  выходного напряжения чуть меньше 100%  и  невозможно  доработать схему с целью  введения дополнительных режимов, например плавного автоматического увеличения или понижения напряжения на нагрузке, т.к.  регулирование производится путём изменения сопротивления переменного резистора , а не изменением уровня управляющего напряжения.  Гораздо лучшими характеристиками обладает вторая схема, но количество элементов в ней чуть больше.  Регулировка эффективного значения напряжения на нагрузке  от 0 до 12 В производится изменением напряжения на управляющем входе от  8 до 12 В.  Диапазон регулировки  напряжения практически 100%.   Максимальный ток нагрузки полностью определяется типом  силового полевого транзистора и может быть очень значительным. Так как выходное напряжение пропорционально входному управляющему напряжению,  схема может использоваться как составная часть  системы регулирования , например  системы поддержания  заданной температуры, если в качестве нагрузки использовать  нагреватель, а  датчик  температуры подключить к простейшему пропорциональному регулятору, выход которого подключается к управляющему входу устройства.  Описанные устройства имеют в основе несимметричный мультивибратор, но  ШИМ регулятор можно построить на микросхеме ждущего мультивибратора, как  показано на следующей странице.

1. ШИМ  регуляторы напряжения на  ждущих мультивибраторах и счётчиках

2.  ШИМ регуляторы на операционных усилителях

3. ШИМ  регуляторы на широко распространённом таймере NE555N (КР1006ВИ1)

4.  Мощный ШИМ-регулятор для автомобиля   (для вентилятора климат-контроля или автомобильных фар)

 


Уважаемые посетители!
Все материалы сайта в случае их некоммерческого использования предоставляются бесплатно, хотя автор затрачивает достаточно большие средства на их обновление расширение и размещение.
Если Вы хотите, чтобы автор отвечал на Ваши письма, обновлял и добавлял  новые материалы - активней используйте контекстную рекламу,  размещённую на страницах - для себя  Вы  узнаете много нового и полезного,
а автору  позволит частично компенсировать собственные затраты  чтобы  уделять
Вам больше внимания.

ВНИМАНИЕ!

Вам нужно разработать сложное электронное устройство?

Тогда Вам сюда...

 

Устройство, принцип работы импульсного стабилизатора. Видео.



Из этой статьи вы узнаете о:

  1. Принципе работы импульсных стабилизационных приборов
  2. Приборе, который использует ШИМ
  3. Приборе, который имеет триггер Шмитта
  4. Схеме самого стабилизационного устройства
  5. Преимуществах
  6. А также недостатках
  7. Сферах применения
  8. Особенностях внешнего вида
  9. Самых важных характеристиках импульсных стабилизаторов

Каждый из нас в своей жизни использует большое количество различных электроприборов. Очень большое их число нуждается в низковольтном питании. Другими словами они потребляют электроэнергию, которая не характеризуется напряжением в 220 вольт, а должна иметь от одного до 25-ти вольт.

Конечно, для подачи электроэнергии с таким количеством вольт используются специальные приборы. Однако, проблема возникает не в понижении напряжения, а в соблюдении ее стабильного уровня.

Для этого можно воспользоваться линейными стабилизационными устройствами. Однако такое решение будет очень громоздким удовольствием. Данную задачу идеально выполнит любой импульсный стабилизатор напряжения.

Разобранный импульсный стабилизатор

Если сравнивать импульсные и линейные стабилизационные приборы, то главное их отличие заключается в работе регулирующего элемента. В первом типе приборов этот элемент работает как ключ. Другими словами он находится или в замкнутом, или в разомкнутом состоянии.

Главными элементами импульсных стабилизационных устройств являются регулирующий и интегрирующий элементы. Первый обеспечивает подачу и прерывания подачи электрического тока. Задачей второго является накопление электроэнергии и постепенная ее отдача в нагрузку.

Принцип работы импульсных преобразователей

Принцип работы импульсного стабилизатора

Главный принцип работы заключается в том, что при замыкании регулирующего элемента электроэнергия накапливается в интегрирующем элементе. Это накопление наблюдается повышением напряжения. После того, когда регулирующий элемент отключается, т.е. размыкает линию подачи электричества, интегрирующий компонент отдает электричество, постепенно снижая величину напряжения. Благодаря такому способу работы импульсное стабилизационное устройство не тратит большого количества энергии и может иметь небольшие габариты.

Регулирующий элемент может представлять собой тиристор, биполярный транзитор или полевой транзистор. В качестве интегрирующих элементов могут использоваться дроссели, аккумуляторы или конденсаторы.

Заметим, что импульсные стабилизационные устройства могут работать двумя различными способами. Первый предполагает использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Второй - триггера Шмитта. Как ШИМ, так и триггер Шмитта используются для управления ключами стабилизационного устройства.

Стабилизатор с использованием ШИМ



Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, который работает на основе ШИМ, кроме ключа и интегратора в своем составе имеет:

  1. генератор;
  2. операционный усилитель;
  3. модулятор

Работа ключа напрямую зависит от уровня напряжения на входе и скважности импульсов. Влияние на последнюю характеристику осуществляют частота генератора и емкость интегратора. Когда ключ размыкается, начинается процесс отдачи электричества из интегратора в нагрузку.

Принципиальная схема стабилизатора ШИМ

При этом операционный усилитель сравнивает уровни выходного напряжения и напряжения сравнения, определяет разницу и передает необходимую величину усиления на модулятор. Этот модулятор осуществляет преобразование импульсов, которые выдает генератор, на прямоугольные импульсы.

Конечные импульсы характеризуются таким же отклонением скважности, которое пропорционально разности выходного напряжения и напряжения сравнения. Именно эти импульсы и определяют поведение ключа.

То есть при определенной скважности ключ может замыкаться, или размыкаться. Получается, что главную роль в этих стабилизаторах играют импульсы. Собственно от этого и пошло название этих устройств.

Преобразователь с триггером Шмитта

В тех импульсных стабилизационных приборах, которые используют триггер Шмитта, уже нет такого большого количества компонентов, как в предыдущем типе устройства. Здесь главным элементом является триггер Шмитта, в состав которого входит компаратор. Задачей компаратора является сравнение уровня напряжения на выходе и максимально допустимого ее уровня.

Стабилизатор с триггером Шмитта

Когда напряжение на выходе превысило свой максимальный уровень, триггер переключается в нулевую позицию и приводит к размыканию ключа. В это время дроссель или конденсатор разряжаются. Конечно, за характеристиками электрического тока постоянно следит вышеупомянутый компаратор.

И тогда, когда напряжение падает ниже требуемого уровня, фаза «0» меняется на фазу «1». Далее ключ замыкается, и электрический ток поступает в интегратор.

Преимуществом такого импульсного стабилизатора напряжения является то, что его схема и конструкция являются достаточно простыми. Однако он не может применяться во всех случаях.

Стоит отметить, что импульсные стабилизационные устройства могут работать только в отдельных направлениях. Здесь имеется в виду, что они могут быть как сугубо понижающими, так и сугубо повышающими. Также выделяют еще два типа таких приборов, а именно инвертирующий и устройство, которые могут произвольно изменять напряжение.

Схема снижающего импульсного стабилизационного прибора

В дальнейшем рассмотрим схему снижающего импульсного стабилизационного прибора. Он состоит из:

  1. Регулирующего транзистора или любого другого типа ключа.
  2. Катушки индуктивности.
  3. Конденсатора.
  4. Диода.
  5. Нагрузки.
  6. Устройства управления.

Узел, в котором будет накапливаться запас электроэнергии, состоит из самой катушки (дросселя) и конденсатора.

В то время, когда ключ (в нашем случае транзистор) подключен, ток движется к катушке и конденсатору. Диод находится в закрытом состоянии. То есть он не может пропускать ток.

За исходной энергией следит устройство управления, которое в нужный момент отключает ключ, то есть переводит его в состояние отсечки. Когда ключ находится в этом состоянии, происходит уменьшение тока, который проходит через дроссель.

Снижающий импульсный стабилизатор

При этом в дросселе меняется направление напряжения и результате ток получает напряжение, величина которого является разницей между электродвижущей силой самоиндукции катушки и количеством вольт на входе. В это время открывается диод и дроссель через него подает ток в нагрузку.

Когда запас электроэнергии исчерпывается, то происходит подключение ключа, закрытия диода и зарядка дросселя. То есть все повторяется.
Повышающий импульсный стабилизатор напряжения работает подобным образом, как и понижающий. Аналогичным алгоритмом работы характеризуется и инвертирующий стабилизационный прибор. Конечно, его работа имеет свои отличия.

Главное отличие импульсного повышающего устройства заключается в том, то в нем входное напряжение и напряжение катушки имеют одно и тот же направление. В результате они суммируются. В импульсном стабилизаторе сначала размещается дроссель, затем транзистор и диод.

В инвертирующем стабилизационном устройстве направление ЭДС самоиндукции катушки является таковым, как и в понижающем. В то время, когда подключается ключ и закрывается диод, питание обеспечивает конденсатор. Любой из таких приборов можно собрать собственноручно.

Полезный совет: вместо диодов можно использовать и ключи (тиристорные или транзисторные). Однако они должны выполнять операции, которые являются противоположными основном ключу. Другими словами, когда основной ключ закрывается, то ключ вместо диода должен открываться. И наоборот.

Выходя из вышеопределенного строения стабилизаторов напряжения с импульсным регулированием, можно определить те особенности, которые относятся к преимуществам, а которые к недостаткам.

Преимущества

Преимуществами этих устройств являются:

  1. Достаточно легкое достижение такой стабилизации, которая характеризуется очень высоким коэффициентом.
  2. КПД высокого уровня. Благодаря тому, что транзистор работает в алгоритме ключа, происходит малое рассеивание мощности. Это рассеяние значительно меньше, чем в линейных стабилизационных устройствах.
  3. Возможность выравнивания напряжения, которое на входе может колебаться в очень большом диапазоне. Если ток является постоянным, то этот диапазон может составлять от одного до 75-ти вольт. Если же ток является переменный, то этот диапазон может колебаться в пределах 90-260 вольт.
  4. Отсутствие чувствительности к частоте напряжения на входе и к качеству электропитания.
  5. Конечные параметры на выходе являются достаточно устойчивыми даже при условии, если происходят очень большие изменения в токе.
  6. Пульсация напряжения, которое выходит из импульсного устройства, всегда находится в пределах миливольтового диапазона и не зависит от того, какую мощность имеют подключенные электроприборы или их элементы.
  7. Стабилизатор включается всегда мягко. Это означает, что на выходе ток не характеризуется прыжками. Хотя надо отметить, при первом включении выброс тока является высоким. Однако для нивелирования этого явления применяются термисторы, которые имеют отрицательный ТКС.
  8. Малые величины массы и размеров.

Недостатки

  1. Если же говорить о недостатках этих стабилизационных приборов, то они кроются в сложности устройства. Из-за большого количества различных компонентов, которые могут выйти из строя довольно быстро, и специфического способа работы прибор не может похвастаться высоким уровнем надежности.
  2. Он постоянно сталкивается с высоким напряжением. Во время работы часто происходят переключения и наблюдаются сложные температурные условия для кристалла диода. Это однозначно влияет на пригодность к выпрямлению тока.
  3. Частое переключение коммутирующих ключей создает частотные помехи. Их число очень велико и это является негативным фактором.

Полезный совет: для устранения этого недостатка нужно воспользоваться специальными фильтрами.

  1. Их устанавливают как на входе, так и на выходе.В том случае, когда нужно сделать ремонт, то он также сопровождается сложностями. Здесь стоит отметить, что неспециалист поломку устранить не сможет.
  2. Ремонтные работы может осуществить тот, кто хорошо разбирается в таких преобразователях тока и имеет необходимое количество навыков. Иными словами, если такой прибор сгорел и его пользователь не имеет никаких знаний об особенностях прибора, то лучше отнести на ремонт в специализированные компании.
  3. Также для неспециалистов сложно настраивать импульсные стабилизаторы напряжения, в которые может входить 12 вольт или иное количество вольт.
  4. В том случае, если выйдет из строя тиристор или любой другой ключ, могут возникнуть очень сложные последствия на выходе.
  5. К минусам относится и потребность в использовании приборов, которые будут компенсировать коэффициент мощности. Также некоторые специалисты отмечают, что такие стабилизационные устройства стоят дорого и не могут похвастаться большим количеством моделей.

Сферы применения

Но, несмотря на это, такие стабилизаторы могут применяться в очень многих сферах. Однако наиболее употребляются они в радионавигационном оборудовании и электронике.

Кроме этого, их часто применяют для телевизоров с жидкокристаллическим дисплеем и жидкокристаллических мониторов, источников питания цифровых систем, а также для промышленного оборудования, которое нуждается в токе с низким количеством вольт.

Полезный совет: часто импульсные стабилизационные устройства используют в сетях с переменным током. Сами устройства превращают такой ток в постоянный и в том случае, если нужно подключить пользователей, нуждающихся в переменном токе, то на входе нужно подключить фильтр сглаживания и выпрямитель.

Стоит отметить, что любой низковольтный прибор требует использования таких стабилизаторов. Также их можно использовать для непосредственной подзарядки различных аккумуляторов и питания мощных светодиодов.

Внешний вид

Как уже отмечалось выше, преобразователи тока импульсного типа характеризуются небольшими размерами. В зависимости от того, на какой диапазон входных вольт они рассчитаны, зависит их размер и внешний вид.

Если они предназначены для работы с очень малой величиной входного напряжения, то они могут представлять собой малую пластмассовую коробку, от которой отходит определенное количество проводов.

Стабилизаторы, рассчитанные на большое количество входных вольт, представляют собой микросхему, в которой находятся все провода и к которой подключаются все компоненты. О них вы уже узнали.

Внешний вид этих стабилизационных устройств также зависит и от функционального назначения. Если они обеспечивают выход регулируемого (переменного) напряжения, то резиторный делитель размещают вне интегральной схемы. В том случае, если из прибора будет выходить фиксированное количество вольт, то этот делитель уже находится в самой микросхеме.

Важные характеристики

При подборе импульсного стабилизатора напряжения, который может выдавать постоянные 5в или иное количество вольт, обращают внимание на ряд характеристик.

Первой и самой важной характеристикой являются величины минимального и максимального напряжения, которое будет входить в сам стабилизатор. О верхних и нижних границах этой характеристики уже отмечалось.

Вторым важным параметром является наиболее высокий уровень тока на выходе.

Третьей важной характеристикой является номинальный уровень выходного напряжения. Иными словами спектр величин, в рамках которого оно может находиться. Стоит отметить, что многие эксперты утверждают, что максимальное входное и выходное напряжения равны.

Однако в реальности это не так. Причиной этого является то, что входные вольты уменьшаются на ключевом транзисторе. В результате на выходе получается несколько меньшее количество вольт. Равенство может быть только тогда, когда ток нагрузки являются очень малым. То же самое касается и минимальных значений.

Важной характеристикой любого импульсного преобразователя является точность напряжения на выходе.

Полезный совет: на этот показатель следует обращать внимание тогда, когда стабилизационное устройство обеспечивает выход фиксированного количества вольт.

Причиной этого является то, что резистор находится в середине преобразователя и точные его работы определяются в производства. Когда число выходных вольт регулируется пользователем, то регулируется и точность.



Удобный, надежный, недорогой Штиль R600ST Стабилизатор Эра STA 3000 - устройство для дома Трехфазный стабилизатор напряжения - если в сети 380. Видео. Как выбрать стабилизатор напряжения для дома

Релейно-импульсный регулятор напряжения генераторов постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1965

Том 139

РЕЛЕЙНО-ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

А. И. ЗАЙЦЕВ, С. А. КИТАЕВА (Представлена научным семинаром электромеханического факультета)

Надежность работы современной радиотехнической и электроннойг аппаратуры, электрические показатели, устройств во многом определяются постоянством питающих напряжений. Поэтому важное место в автоматизации производственных процессов отводится созданию регуляторов напряжения генераторов постоянного и переменного тока.

Важнейшими показателями регуляторов, напряжения являются точность поддержания напряжения, быстродействие, диапазон регулирования, надежность в работе. Улучшение этих показателей — актуальная задача электротехники.

За последнее время опубликовано ряд работ по созданию различных вариантов регуляторов напряжения с применением полупроводниковых приборов, работающих в импульсном режиме [1—5].

Однако вопросы теоретического исследования систем возбуждения1 генераторов при помощи импульсных полупроводниковых элементов-освещены еще недостаточно полно. Системы возбуждения, содержащие полупроводниковые элементы, имеют свои особенности и требуют теоретического исследования.

В данной статье предлагается вариант регулятора напряжения генератора постоянного тока на полупроводниковых элементах, использующих принцип импульсного регулирования током возбуждения. Схема регулятора представлена на рис. 1.

Измерительный орган регулятора выполнен на основе блокинг-генератора и измерительного моста. Блокинг-генератор имеет два входа и содержит обмотки положительной и отрицательной обратной связи. На один из входов через диод Д7 подается стабилизированный сигнал с кремниевого стабилитрона, на второй вход—через диод Д8—поступает сигнал, пропорциональный напряжению на якоре генератора. Блокинг-генератор не генерирует, если входные сигналы на диодах Д7 и Д8 равны по величине. Для усиления сигналов измерительного устройства применены предварительные каскады усиления на триодах ПТ4 и ПТ3. Каскад усиления на триоде ПТ4 выполнен с трансформаторным входом. Оконечный каскад усиления содержит силовой триод ПТ1 и трансформатор обратной связи ТОС1. Нагрузкой триода ПТ1 служит обмотка возбуждения генератора. Питание обмотки возбуждения осуществляется через триод ПТЬ обмотку Юр трансформатора обратной связи. Непре-

рывность тока нагрузки обеспечивается вентилем Д2 и обмоткой возврата Х0В трансформатора ТОС1. Триод ПТ1 управляется триодом ПТ> и обмоткой обратной связи ш0с . Все триоды в схеме работают в ключевом режиме.

Рис. 1.

Работа регулятора происходит следующим образом. После подачи напряжения питания на оконечный каскад усилителя и измерительный орган на вход измерительного блокинг-генератора через диод Дв подается сигнал, вызывающий генерацию последнего. Высокочастотные импульсы блокинг-генератора трасформируются через трансформатор Тр в цепь базы предварительного усилителя ПТ1 и усиленные усилителем ПТ5 поступают на вход управляющего триода ПТ2 оконечного усилителя. Триод ПТ2 открывается, что соответствует открытому состоянию силового триода ПТь По обмотке возбуждения протекает ток, оконечный каскад усилителя работает с большим коэффициентом заполнения, генератор возбуждается. Как только напряжение генератора достигает напряжения уставки (уставка изменяется с помощью сопротивления Рлз), открывается диод Д8 и блокинг-генератор срывает генерацию. В результате триод ПТ2 закрывается, уменьшается коэффициент заполнения триода ПТь уменьшается ток возбуждения генератора и снижается напряжение на якоре генератора. Снижение напряжения на якоре генератора приводит к уменьшению сигнала на диоде Дз измерительного устройства, появляется сигнал рассогласования, запирается диод Д* и открывается Д7, блокинг-генератор начинает генерировать. При этом управляющий триод открывается, что приводит к увеличению коэффициента заполнения триода ПТь В результате увеличивается ток возбуждения генератора, и напряжение генератора восстанавливается до заданной величины.

В описанном варианте регулятора напряжения применена система импульсного регулирования тока возбуждения, когда обмотка возбуждения питается от источника с постоянным напряжением через периодически открывающийся и закрывающийся полупроводниковый ключ. Упрощенная схема питания обмотки возбуждения представлена на рис. 2.

При рассмотрении процессов, связанных с установлением тока возбуждения, приняты допущения:

1) диод, шунтирующий обмотку возбуждения, идеальный;

2) потери в стали, обусловленные пульсирующим током, малы ввиду незначительных пульсаций;

3) реакции якоря отсутствуют;

4) индуктивность обмотки возбуждения постоянна при изменении тока возбуждения;

5) активным сопротивлением и индуктивностью обмоток хюр и гяь трансформатора ТОС1 пренебрегаем ввиду их малости;

6) величиной сопротивления смещения пренебрегаем, так как

На обмотку возбуждения поступают прямоугольные импульсы напряжения с амплитудой их периодом повторения Т\ и Т2 и скважностью 7! и "у2• Различная скважность импульсов обусловлена импульсным режимом работы управляющего триода ПТ2, на который подаются прямоугольные импульсы с периодом повторения Т и скважностью 7. и когда на обмотке возбуждения импульсы со скважностью 72 и периодом повторения Т2.

Процессы установления тока возбуждения в интервалах времени яТ < I < Т (п + т) и Т(я + -[)</<Т(я 4- 1), где п — целое число, подробно описаны в [6].

На основании выражений, приведенных в [6], можно определить максимальное и минимальное значение тока, коэффициент пульсации тока, полный размах пульсаций тока.

Максимальное значение тока /тах при работе регулятора определяется как

гс« Я.

и

птг

Рис. 2.

(1 — е~Щ и

(1)

тах /-.-т*)] |1 - ] *'«>] (\-e~b) ~ (1

Коэффициент пульсаций определяется как отношение максимального установившегося тока к минимальному значению

(3)

У. --

(1-е-м.) (1-е-з.)

(I с ''•')( 1 е ■■) [1 е '••=» ■:\[\ е АЛ|(1 с )

(4)

При незначительном размахе пульсаций тока А1 процесс установления тока в обмотке возбуждения достаточно полно характеризуется непрерывной кривой — гладкой составляющей, проведенной через точки, соответствующие среднему значению тока на каждом интервале времени Т.

Среднее установившееся значение тока

/ср = /"мТ-1-'Т2(1-7), (5)

где у! и ~/2— скважность импульсов, вырабатываемых оконечным каскадом усилителя;

7 — скважность импульсов, поступающих на управляющий триод оконечного каскада усилителя.

Таким образом, среднее установившееся значение тока прямо пропорционально скважности импульсов оконечного каскада усилителя я продолжительности импульсов, поступающих на оконечный каскад.

¿8 к

Тг

» 4

, 1 1гпах ■ 1>т1п

п

¿¿об

* 1*400%

г\

Рис. 3. Осциллограммы тока возбуждения и напряжения на обмотке возбуждения при 1н = 100%.

Экспериментальному исследованию подвергся регулятор напряжения для генератора постоянного тока преобразователя типа ППН-27.ср (а) Расхожд. эксп. и расч.

пп /2 1 расч. экс п. расч. эксп. %

7* /ср

1 Холостой 0,04 0,015 0,5 0,1 0,65 2 1,13 М7 4,0 3,8 2,35 5,55

ход

2 Нагрузка 100% 0,035 0,02 0,6 0,1 0,7 3 1,22 1,21 4,5 4,6 0,82 3,85

Выводы

1. Разработанная схема регулятора напряжения позволяет получить точность поддержания напряжения при изменении нагрузки от 0 до 100%+ 1%;

2. Наибольшее время переходного процесса при сбросе и набросе нагрузки не более 0,1 сек.

3. Предложенная схема регулятора может быть использована как ..для генераторов постоянного тока, так и для генераторов переменного тока.

4. Сопоставление экспериментальных данных с расчетными по выведенным уравнениям дает малое расхождение.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. С. Кулебакин, В. Д. Нагорский, Ю. Е. Воскресенский. Полупроводники в автоматике. Изд. АН СССР, 1963.

2. Применение управляемых полупроводниковых вентилей в промышленности. Материалы семинара, сб. 1, М., Изд. «Энергия». 1964.

3. Г. М. Веденеев. Полупроводниковые регуляторы и стабилизаторы в импульсном режиме, Электричество, 9, 1964.

4. А. А. 3 д р о к, М. Н. Фесенко. О применении кристаллических триодов в схемах регулирования напряжения, ВЭП, № 9, 1959.

5. Р. А. Л и п м а н, М. В. О л ь ш в а н г. Магнитно-полупроводниковый усилитель. Автоматика и телемеханика, т. XXI, № 7, 1960.

6. А. П. Зайцев. Разработка и исследование некоторых импульсных устройств .для управления эл. машинами. Диссертация, ТПИ, 1964.

Сильноточный генератор 555 импульсов с использованием регулятора напряжения

Этот Сильноточный генератор 555 импульсов полезен в приложениях, где импульсы, подаваемые одним только 555, не имеют достаточного тока. С таймером 555 вы получаете выход с двумя уровнями напряжения, высоким и низким, но текущая емкость этой ИС очень ограничена.

Если на выходе установлен силовой транзистор, высокая пропускная способность по току может быть получена только тогда, когда он находится на высоком уровне или только на низком уровне (это зависит от типа транзистора и способа его подключения).

Так как желательно получить импульс высокой емкости по току (импульс мощности) как на высоком, так и на низком уровне, в качестве основных компонентов используются таймер 555, транзистор и регулятор напряжения. См. Схему.

Генератор импульсов мощности (Генератор сильноточных импульсов)

Форма выходного сигнала генератора импульсов (Vout)

Из диаграммы видно, что минимальное значение на выходе составляет 1,2 В (минимальное напряжение, подаваемое регуляторами) используется), а максимальное напряжение будет примерно на 3 вольта меньше, чем напряжение питания.Падение на 3 вольта связано с падением напряжения между входом (контакт 2) и выходом (контакт 3) регулятора напряжения.

Форма выходного сигнала генератора сильноточных импульсов

Как работает сильноточный генератор импульсов 555?

На этой схеме показано, как таймер 555, сконфигурированный как нестабильный генератор, соединяется на своем выходе с очень популярным регулируемым регулятором напряжения, таким как LM317, LM150, LM250, LM350, которые способны выдавать напряжения в диапазоне от 1,2 вольт до 33 вольт с максимальным током 3 ампера.

Минимальное напряжение на низком уровне будет минимальным напряжением, полученным от регулятора, а максимальный высокий уровень будет зависеть от максимального напряжения источника питания, который использует схему.

С этой схемой можно напрямую управлять лампами постоянного тока. Мощные лампы, которые периодически включаются и выключаются, в качестве сигнала опасности на дороге - хорошее применение.


555 Timer Pin Out

Также можно управлять двигателями постоянного тока. Регулировка частоты колебаний (с помощью резистора 100K) может изменить скорость двигателя.


LM350K - регулятор переменного напряжения (вывод)

Поскольку 555 работает как генератор, он заставляет транзистор постоянно входить в свои зоны отсечки и насыщения. Частота, с которой это делается, регулируется потенциометром 100K, а потенциометр 10K используется для изменения ширины импульса.


Распиновка 2N2222 NPN транзистора

Список компонентов схемы

  • 1 Регулятор напряжения LM350T / LM250T / LM150T / LM317T.(Рег). Эти регуляторы напряжения могут различаться по току. Выберите тот, который подходит для приложения
  • 1 таймер 555 (IC)
  • 1 2N2222 NPN транзистор или эквивалентный (T)
  • 1 резистор 10 кОм (R1)
  • 1 резистор 1 кОм (R2)
  • 1 резистор 220 Ом (R3)
  • 1 Потенциометр 100 кОм (1/2 Вт) (P1)
  • 1 Потенциометр 10 кОм (1/2 Вт) (P2)
  • 1 Конденсатор 0,1 мкФ (микрофарад) (C2)
  • 1 0,01 мкФ до 10 мкФ (микрофарад) электролитический конденсатор (C1)
  • 1 радиатор для регулятора напряжения

SIP-модуль регулятора напряжения - Лаборатория импульсных исследований

Производство этого продукта снято с производства.Информация на этой странице предназначена только для справки, и новые заказы не принимаются.

Приложения:
  • Макет
  • Прототип
  • Индивидуальные схемы

Характеристики:

  • Общая площадь основания
  • сменный
  • Стандартные 100-миллиметровые центры

Семейство автономных модулей SIP с линейным стабилизатором напряжения PRL обеспечивает мгновенное питание для макетирования и создания прототипов цифровых, линейных и ВЧ схем с устройствами ECL, PECL, RS422 и TTL / CMOS.

Они разработаны специально для использования с материнскими платами GD-970-3.8 и GD-980-6 Gigadapter, но могут использоваться с любыми печатными платами с контактными площадками на центрах 100 мил, в том числе в наборах специальных схем серии PRL. Все модули SIP в этом семействе имеют совместимые посадочные места и могут питаться от адаптера переменного / постоянного тока 15000080 ± 8,5 В / ± 1 А.

Используя низкопрофильные штыревые гнезда, P / N S0, в местах расположения материнских плат P11-P16, P21-P23 и P31-P33, эти модули регуляторов напряжения можно легко заменять для различных приложений.В настоящее время доступны шесть моделей:

Арт. № *

Описание

Заявка

Vo1

Vo2

Vo3

Vo4

Размер:
В x Д

| Vin-Voç
**

56002787

Двойные отрицательные выходы,
В EE и V TT

ECL, LVECL

NA

-3.От 3 В до –5,5 В,
300 мА

NA

-2 В, 100 мА

0,825 дюйма
x
2,4 дюйма

3 В от
до
6 В

56002797

Положительные и отрицательные выходы,
В CC и V EE

Линейный, TTL, CMOS

3.3 В
до 5,5 В, 300 мА

от -3,3 В до –5,5 В,
300 мА

NA

NA

0,825 дюйма
x
2,4 дюйма

3 В от
до
6 В

56002807

Три выхода,
В CC , V EE , V TT

ECL, линейный, TTL, CMOS

3.От 3 В до
5,5 В, 300 мА

от -3,3 В до –5,5 В, 300 мА

NA

-2 В, 100 мА

0,825 дюйма
x
3,0 дюйма

3 В от
до
6 В

56002817

Четыре выхода
,
В CC , V EE , V TTN и V TTP

ECL,
PECL,
линейный,
TTL

3.3 В от
до
5,5 В, 500 мА
***

от -3,3 В до –5,5 В, 500 мА
***

+3 В, 200 мА

-2 В, 100 мА

1,7 дюйма
x
4,5 дюйма

3 В от
до
6 В

56002867

Двойные
Положительные выходы

КМОП-имидж-сканер

3.От 3 В до
5,5 В, 300 мА

NA

3,3 В от
до
5,5 В, 300 мА

NA

0,825 дюйма
x
2,4 дюйма

3 В от
до
6 В

Модуль 56002787 имеет регулируемые выходы от –3,3 В до –5,5 В / -300 мА и фиксированные выходы –2 В / -100 мА. Он предназначен для контуров ECL.Выход –2 В - это напряжение смещения V TT для входной нагрузки 50 Вт / -2 В ECL.

Модуль 56002797 имеет пару выходов от ± 3,3 В до ± 5,5 В / ± 300 мА. Он предназначен для линейных и TTL / CMOS схем.

Модуль 56002797-15 имеет пару выходов от ± 13 В до ± 15,5 В / ± 200 мА. Он предназначен для линейных цепей.

Модуль 56002807 имеет пару выходов от ± 3,3 В до ± 5,5 В / ± 300 мА и выход –2 В / -100 мА. Он разработан для смешанных схем ECL и TTL / CMOS.Его можно использовать со всеми материнскими платами Gigadapter, кроме GD-970-3.8A.

Модуль 56002817 имеет пару выходов от ± 3,3 В до ± 5,5 В / ± 400 мА, выход –2 В В TTN для оконечной нагрузки входа ECL и выход +3 В В TTP для оконечной нагрузки входа PECL. Выход +3 В В TTP является источником только тока, и его не следует использовать для смещения цепей TTL. Он разработан для смешанных ECL, PECL TTL / CMOS и линейных схем.

Этот модуль больше остальных и предназначен для использования с материнской платой GD-980-6 и экструзией серии PRL-980.Однако его также можно использовать с печатными платами серии PRL-970, если алюминиевый корпус не используется.

Модуль 56002867 имеет два идентичных регулируемых выхода от 3,3 В до 5,5 В / 300 мА. Он разработан для смешанных схем TTL / CMOS 3,3 В и 5 В, а также для приложений, где требуются отдельные аналоговые источники питания V DD и цифровые V DD .

* Другие значения выходного напряжения доступны по индивидуальному заказу.

** При охлаждении можно использовать более высокие входные напряжения.Максимальное значение Vin-Voê должно быть ограничено до 8 В.

*** При охлаждении выходные токи могут быть увеличены до ± 600 мА.

Нажмите на это изображение для увеличения:

Назначение контактов общего модуля показано ниже (обратите внимание, что не все контакты используются в каждом модуле):

Арт. №

п.11

п.12

п13

п14

п15

п16

п.21

п22

п.23

П31

P32

П33

56002787

+8.5 В
Вход

-8,5 В
Вход

NC

NC

GND

GND

NC

GND

В EE Выход

NC

GND

NC

56002797

+8.5 В
Вход

-8,5 В
Вход

NC

NC

GND

GND

Выход Vcc

GND

В EE Выход

NC

GND

NC

56002807

+8.5 В
Вход

-8,5 В
Вход

NC

NC

GND

GND

Выход Vcc

GND

В EE Выход

NC

GND

NC

56002817

+8.5 В
Вход

-8,5 В
Вход

NC

NC

GND

GND

Выход Vcc

GND

В EE Выход

В ТТП

GND

В TTN

56002867

+8.5 В
Вход

-8,5 В
Вход

NC

NC

GND

GND

Выход Vcc1

GND

NC

Vcc2

GND

NC

Мощность | Комплекты для разработки для поверхностного монтажа | Комплекты для макетирования

Управление режимом напряжения и тока для генерации сигналов ШИМ в импульсных регуляторах постоянного тока


Импульсные преобразователи постоянного напряжения («регуляторы») состоят из двух элементов: контроллера и силового каскада.Силовой каскад включает в себя переключающие элементы и преобразует входное напряжение в желаемое выходное. Контроллер контролирует операцию переключения для регулирования выходного напряжения. Оба соединены контуром обратной связи, который сравнивает фактическое выходное напряжение с желаемым выходным напряжением для получения напряжения ошибки.

Контроллер является ключом к стабильности и точности источника питания, и практически в каждой конструкции для регулирования используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Существует два основных метода генерации сигнала ШИМ: управление в режиме напряжения и управление в режиме тока.Сначала было управление в режиме напряжения, но его недостатки - такие как медленная реакция на изменения нагрузки и усиление контура, которое варьировалось в зависимости от входного напряжения - побудили инженеров разработать метод, основанный на альтернативном токе.

Сегодня инженеры могут выбирать из широкого диапазона силовых модулей, используя любую технику управления. В этих продуктах используется технология, позволяющая преодолеть основные недостатки предыдущего поколения.

В этой статье описывается метод управления в режиме напряжения и тока для генерации ШИМ-сигнала в импульсных стабилизаторах напряжения и объясняется, где лучше всего подходит каждое приложение.

Управление в режиме напряжения

Разработчики, которым поручено построить источник питания, могут либо построить блок из дискретных компонентов (см. Статью TechZone «Регуляторы напряжения постоянного / постоянного тока : как выбрать между дискретной и модульной конструкцией »), отдельных компонентов контроллера и питания или питания. модули питания, объединяющие оба элемента в одну микросхему.

Но какой бы метод проектирования ни использовался, высока вероятность того, что регулирование будет использовать метод ШИМ (обычно) с фиксированной частотой.(Желательна постоянная частота переключения, поскольку она ограничивает электромагнитные помехи (EMI), создаваемые источником питания.)

В регуляторе, управляемом в режиме напряжения, сигнал ШИМ генерируется путем подачи управляющего напряжения (V C ) на один вход компаратора и пилообразного напряжения (V , линейное изменение ) (или «линейное изменение PWM») с фиксированной частотой. , генерируемый часами, в другой (рисунок 1).


Рисунок 1: Генератор ШИМ для импульсного регулятора напряжения. (Предоставлено: Texas Instruments)

Рабочий цикл сигнала ШИМ пропорционален управляющему напряжению и определяет процент времени, в течение которого переключающий элемент проводит и, следовательно, в свою очередь, выходное напряжение (см. Статью TechZone « Использование ШИМ для улучшения переключения постоянного / постоянного тока. КПД регулятора при малых нагрузках ”).Управляющее напряжение получается из разницы между фактическим выходным напряжением и желаемым выходным напряжением (или опорным напряжением).

Коэффициент усиления модулятора Fm определяется как изменение управляющего напряжения, которое приводит к увеличению рабочего цикла от 0 до 100 процентов (F m = d / V C = 1 / V ramp ). 1

На рисунке 2 показаны стандартные блоки типичного импульсного стабилизатора. Силовой каскад состоит из переключателя, диода, катушки индуктивности, трансформатора (для изолированных конструкций) и входных / выходных конденсаторов.Этот каскад преобразует входное напряжение (VIN) в выходное напряжение (VO). Секция управления регулятора напряжения состоит из усилителя ошибки с опорным напряжением (равным желаемому выходу) на одном входе и выходом делителя напряжения на другом. Делитель напряжения питается от цепи обратной связи с выхода. Выход усилителя ошибки обеспечивает управляющее напряжение (V C или «напряжение ошибки»), которое формирует один вход для компаратора ШИМ. 2


Рисунок 2: Блок управления и силовой каскад управляюще-импульсного регулятора напряжения.(Любезно предоставлено Microsemi)

К преимуществам управления в режиме напряжения относятся: одинарный контур обратной связи, упрощающий проектирование и анализ схем; использование пилообразной формы волны большой амплитуды, обеспечивающей хороший запас шума для процесса стабильной модуляции, и выходная мощность с низким импедансом, обеспечивающая лучшую перекрестную регулировку для источников с несколькими выходами.

Но у этой техники есть и заметные недостатки. Например, изменения нагрузки должны сначала восприниматься как изменение выходного сигнала, а затем корректироваться контуром обратной связи, что приводит к медленному отклику.Выходной фильтр усложняет компенсацию схемы, что может быть еще более затруднено из-за того, что коэффициент усиления контура изменяется в зависимости от входного напряжения.

Управление в токовом режиме

В начале 80-х инженеры разработали альтернативный импульсный стабилизатор напряжения, устраняющий недостатки метода управления в режиме напряжения. Этот метод, получивший название управления в режиме тока, получает линейное изменение ШИМ путем добавления второго контура, возвращающего ток катушки индуктивности.Этот сигнал обратной связи состоит из двух частей: переменного тока пульсаций и постоянного или среднего значения тока катушки индуктивности. Усиленный сигнал направляется на один вход компаратора ШИМ, в то время как напряжение ошибки формирует другой вход. Как и в случае метода управления в режиме напряжения, системные часы определяют частоту ШИМ-сигнала (рисунок 3).


Рисунок 3: Регулятор управления-коммутации токового режима. Здесь линейное изменение ШИМ генерируется из сигнала, полученного из тока выходной катушки индуктивности.(С любезного разрешения Texas Instruments)

Управление в режиме тока решает проблему медленной реакции управления в режиме напряжения, поскольку ток катушки индуктивности возрастает с наклоном, определяемым разницей между входным и выходным напряжениями, и, следовательно, немедленно реагирует на изменения линейного напряжения или напряжения нагрузки. Еще одно преимущество состоит в том, что управление в режиме тока устраняет изменение коэффициента усиления контура с недостатком входного напряжения метода управления в режиме напряжения.

Кроме того, поскольку в схеме управления в токовом режиме усилитель ошибки управляет выходным током, а не напряжением, влияние выходной индуктивности на отклик схемы сводится к минимуму и упрощается компенсация.Схема также демонстрирует более высокий коэффициент усиления по сравнению с устройством управления в режиме напряжения.

Дополнительные преимущества управления в токовом режиме включают в себя внутреннее ограничение тока от импульса к импульсу путем ограничения команды от усилителя ошибки и упрощенное распределение нагрузки, когда несколько блоков питания используются параллельно.

Какое-то время казалось, что управление режимом тока унаследовало управление режимом напряжения. Однако, несмотря на то, что на их разработку потребовалось время, инженеры обнаружили, что регуляторы управления в токовом режиме создают свои собственные проблемы при проектировании.

Главный недостаток состоит в том, что анализ схемы затруднен, поскольку топология регулятора теперь включает два контура обратной связи. Вторая сложность - нестабильность «внутреннего» контура управления (несущего сигнал тока катушки индуктивности) при скважности выше 50 процентов. Еще одна проблема возникает из-за того, что, поскольку контур управления является производным от выходного тока катушки индуктивности, резонансы от силового каскада могут вносить шум во внутренний контур управления. 3

Ограничение регулирующего регулятора текущего режима рабочим циклом менее 50 процентов налагает серьезные ограничения на входное напряжение устройства.К счастью, проблему нестабильности можно решить, «добавив» небольшую компенсацию наклона во внутренний контур. Этот метод обеспечивает стабильную работу при всех значениях рабочего цикла ШИМ.

Компенсация наклона достигается путем вычитания пилообразного напряжения (работающего на тактовой частоте) из выходного сигнала усилителя ошибки. В качестве альтернативы, напряжение кривой компенсации можно добавить непосредственно к сигналу тока катушки индуктивности (рисунок 4).


Рисунок 4: Регулятор управления в токовом режиме с компенсацией наклона.(Любезно предоставлено Texas Instruments)

Математический анализ показывает, что для гарантии стабильности токовой петли наклон кривой компенсации должен быть больше половины спада кривой тока. 4

В продаже имеется множество регулирующих регуляторов текущего режима. Microsemi, например, предлагает синхронный понижающий (понижающий) регулятор NX7102 с управлением в режиме тока. Чип может принимать входной диапазон от 4,75 до 18 В и предлагает регулируемый выход до 0.925 В. Максимальный выходной ток составляет 3 А, а пиковая эффективность составляет от 90 до 95 процентов в зависимости от входного напряжения.

Со своей стороны, Texas Instruments предлагает широкий спектр регуляторов регулирования тока. Одним из примеров является TPS63060, синхронный понижающий / повышающий («повышающий») стабилизатор на 2,4 МГц, обеспечивающий выходной сигнал от 2,5 до 8 В (при токе до 1 А) от источника питания от 2,5 до 12 В. Устройство обеспечивает КПД до 93% и предназначено для мобильных приложений, таких как портативные компьютеры и промышленное измерительное оборудование.

STMicroelectronics также поставляет ряд устройств управления токовым режимом, включая STBB2. Это синхронный понижающий / повышающий стабилизатор 2,5 МГц, обеспечивающий выходное напряжение 2,9 или 3,4 В при входном напряжении от 2,4 до 5,5 В. Устройство способно подавать до 800 мА при 90-процентной эффективности и поставляется в корпусе с шариковой решеткой (BGA).

Возрождение режима напряжения

При просмотре каталогов некоторых производителей кремний обнаруживается, что регуляторы напряжения никуда не делись.Причина этого в том, что основные недостатки устройств предыдущего поколения были устранены с помощью метода, называемого прямой связью по напряжению.

Прямая связь по напряжению достигается изменением наклона кривой линейного изменения ШИМ напряжением, пропорциональным входному напряжению. Это обеспечивает соответствующую корректирующую модуляцию рабочего цикла независимо от контура обратной связи.

Этот метод улучшает реакцию схемы на переходные процессы в линии и нагрузке, устраняя при этом чувствительность к наличию входного фильтра.Прямая связь по напряжению также стабилизирует усиление контура, так что оно больше не зависит от входного напряжения. Незначительным недостатком является некоторая сложность схемы, поскольку для определения входного напряжения необходим датчик.

Инженеры могут выбирать из широкого диапазона регуляторов напряжения от основных поставщиков. Например, Maxim предлагает в своем портфеле ряд устройств управления режимом напряжения, включая MAX5073. Этот импульсный стабилизатор представляет собой понижающее / повышающее устройство с частотой 2,2 МГц, работающее от 5.Питание от 5 до 23 В и выходное напряжение от 0,8 до 28 В. В понижающем режиме регулятор может выдавать до 2 А.

Аналогичным образом, Intersil предлагает ISL9110A, импульсный стабилизатор 2,5 МГц с управлением в режиме напряжения. Устройство работает в диапазоне входного напряжения от 1,8 до 5,5 В и обеспечивает выходное напряжение 3,3 В при токе до 1,2 А и 95-процентном КПД.

Со своей стороны International Rectifier поставляет IR3891, понижающий стабилизатор напряжения с широким диапазоном входного сигнала от 1 до 21 В и диапазоном выходного сигнала 0.От 5 до 18,06 В. Микросхема имеет диапазон частот переключения от 300 кГц до 1,5 МГц и может выдавать до 4 А. IR3891 имеет два выхода.

Выбор технологии

Практически все импульсные регуляторы напряжения используют ШИМ-управление для переключающих элементов. Сигнал ШИМ генерируется либо из управляющего напряжения (полученного путем вычитания выходного напряжения из опорного напряжения) в сочетании с пилообразной формой волны, работающей на тактовой частоте для регулятора режима напряжения, либо путем добавления второго контура, возвращающего ток индуктора. для типа текущего режима.Современные устройства в значительной степени преодолели основные недостатки старых конструкций за счет использования таких технологий, как прямая связь по напряжению для схем управления напряжением и компенсация наклона для блоков с токовым режимом.

Результатом этих нововведений является то, что инженеры имеют широкий выбор обоих типов топологии. Импульсные регуляторы с управлением в режиме напряжения рекомендуются, когда возможны широкие входные линии или изменения выходной нагрузки, при небольших нагрузках (когда крутизна кривой управления в режиме тока будет слишком малой для стабильной работы ШИМ), в шумных приложениях (когда шум от силового каскада, попадет в контур обратной связи управления в токовом режиме), и когда требуются напряжения на нескольких выходах с хорошим перекрестным регулированием.

Устройства управления в токовом режиме рекомендуются для приложений, в которых на выходе источника питания присутствует большой ток или очень высокое напряжение; самый быстрый динамический отклик требуется на определенной частоте, колебания входного напряжения ограничены, а в приложениях, где необходимо минимизировать стоимость и количество компонентов.

Для получения дополнительной информации о деталях, обсуждаемых в этой статье, используйте ссылки для доступа к страницам информации о продукте на веб-сайте Digi-Key.

Использованная литература:

  1. « Понимание и применение теории управления в режиме тока - Практическое руководство по проектированию для работы в непрерывном режиме проводимости с фиксированной частотой », Роберт Шихан, National Semiconductor, октябрь 2007 г.
  2. « Режим напряжения, режим тока (и гистерезисное управление) », Санджая Маниктала, Microsemi, TN-203, 2012.
  3. «Режим напряжения импульсного источника питания в сравнении с режимом тока », Роберт Маммано, Unitrode, DN-62, июнь 1994 г.
  4. «Моделирование , анализ и компенсация преобразователя режима тока », Texas Instruments, U-97, 1999.

Отказ от ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

A Критический короткий импульс | Analog Devices

Хотя существуют максимальные ограничения рабочего цикла, которые будут обсуждаться отдельно, этот совет по управлению питанием фокусируется конкретно на минимальных ограничениях рабочего цикла.

Рабочий цикл понижающего импульсного регулятора (понижающего преобразователя) соответствует выходному напряжению, деленному на входное напряжение в режиме непрерывной проводимости (CCM). Следовательно, если выходное напряжение составляет ровно половину входного напряжения, это соответствует рабочему циклу 50%.Для реальных компонентов и соответствующих паразитных потерь этот рабочий цикл в действительности немного отличается. Однако в качестве приближения достаточно простой формулы для рабочего цикла.

Следовательно, если выходное напряжение 1 В должно генерироваться из напряжения питания 5 В, это соответствует 20% -ному рабочему циклу. На рисунке 1 показана топология понижающего преобразователя с регулятором ADP2389 от Analog Devices. Этот регулятор может переключаться с частотой переключения до 2,2 МГц. На диаграмме во временной области на рисунке 2 видно, что для частоты переключения 2.2 МГц, период T составляет всего приблизительно 450 нс до начала нового цикла.

Рис. 1. Типичный понижающий импульсный стабилизатор с ADP2389 для максимального выходного тока 12 А.

Рис. 2. Минимальное время включения показано для частоты коммутации 2,2 МГц.

Минимальное время включения ADP2389 составляет 100 нс. Соответственно, преобразование напряжения 5 В в 1 В невозможно при частоте переключения 2,2 МГц. Для этого потребуется рабочий цикл 20%, что соответствует продолжительности включения всего 90 нс в течение 450 нс.Это время ниже минимального указанного времени включения преобразователя напряжения ADP2389.

Если ADP2389 все же должен использоваться для преобразования 5 В в 1 В, частота переключения может быть снижена. За счет этого период T на Рисунке 2 становится длиннее, а минимальное время включения, равное 100 нс, становится меньше в процентном отношении. Для установленной частоты переключения 2 МГц период составляет 500 нс. Для требуемого рабочего цикла 20% требуется время включения 100 нс. Согласно спецификациям, это возможно с ADP2389.

Возникает вопрос, почему вообще существует минимальное время включения, которое ограничивает возможное отношение входного напряжения к выходному напряжению. Во многих импульсных преобразователях мощности причина кроется в том, что ток катушки измеряется во время включения. Этот ток используется для максимальной токовой защиты и в регуляторах, которые работают по принципу управления с обратной связью по току (управление в режиме тока). Измеренный ток индуктора также необходим для регулирования контура. После переключения, генерируемый шум сначала должен утихнуть, прежде чем можно будет провести качественное измерение тока.Это занимает некоторое время, известное как время гашения. Продолжительность минимального времени включения приобретает все большую роль, особенно для очень высоких частот переключения в несколько МГц, и разрабатываются схемы, обеспечивающие очень короткое минимальное время включения.

Для малых рабочих циклов, таких как высокое входное напряжение и низкое выходное напряжение в понижающем импульсном стабилизаторе, минимально возможное время включения является критическим ограничением. Он часто ограничивает максимальную частоту коммутации, при которой может работать импульсный источник питания.

Широтно-импульсная модуляция, используемая для управления двигателем

Но прежде чем мы начнем рассматривать входы и выходы широтно-импульсной модуляции, нам нужно немного больше понять, как работает двигатель постоянного тока.

Помимо шаговых двигателей, двигатель постоянного тока с постоянным магнитом (PMDC) является наиболее часто используемым типом небольших двигателей постоянного тока, обеспечивающих постоянную скорость вращения, которой можно легко управлять. Небольшие двигатели постоянного тока идеально подходят для использования в приложениях, где требуется регулирование скорости, например, в небольших игрушках, моделях, роботах и ​​других подобных электронных схемах.

Двигатель постоянного тока состоит в основном из двух частей: неподвижного корпуса двигателя, называемого «статор», и внутренней части, которая вращается, вызывая движение, называемое «ротор». Для машин постоянного тока ротор обычно называют «арматурой».

Обычно в небольших двигателях постоянного тока малой мощности статор состоит из пары фиксированных постоянных магнитов, создающих однородный и постоянный магнитный поток внутри двигателя, что дало этим типам двигателей название двигателей постоянного тока с постоянными магнитами (PMDC).

Якорь двигателя состоит из отдельных электрических катушек, соединенных вместе по кругу вокруг его металлического корпуса, образуя северный полюс, затем южный полюс, затем северный полюс и т. Д., Тип конфигурации полевой системы.

Ток, протекающий в катушках ротора, создает необходимое электромагнитное поле. Круговое магнитное поле, создаваемое обмотками якоря, создает как северный, так и южный полюса вокруг якоря, которые отталкиваются или притягиваются постоянными магнитами статора, вызывающими вращательное движение вокруг центральной оси двигателя, как показано.

2-полюсный двигатель с постоянными магнитами

По мере вращения якоря электрический ток проходит от выводов двигателя к следующему набору обмоток якоря через угольные щетки, расположенные вокруг коммутатора, создавая другое магнитное поле, и каждый раз, когда якорь вращается, новый набор обмоток якоря возбуждается, заставляя якорь вращаться. все больше и больше и так далее.

Таким образом, скорость вращения двигателя постоянного тока зависит от взаимодействия двух магнитных полей, одно из которых создается стационарными постоянными магнитами статора, а другое - якорями, вращающимися электромагнитами, и, управляя этим взаимодействием, мы можем управлять скоростью вращения.

Магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами статора, является фиксированным и, следовательно, не может быть изменено, но если мы изменим силу электромагнитного поля якоря путем управления током, протекающим через обмотки, будет создан больший или меньший магнитный поток, что приведет к более сильному или сильному магнитному потоку. более слабое взаимодействие и, следовательно, более высокая или медленная скорость.

Тогда скорость вращения двигателя постоянного тока (N) пропорциональна обратной ЭДС (V b ) двигателя, деленной на магнитный поток (который для постоянного магнита является постоянным), умноженный на электромеханическую постоянную в зависимости от природы. обмоток якоря (K e ), что дает нам уравнение: N ∝ V / K e Φ.

Так как же нам контролировать ток через двигатель? Многие люди пытаются управлять скоростью двигателя постоянного тока, используя большой переменный резистор (реостат), подключенный последовательно с двигателем, как показано на рисунке.

Хотя это может работать, как и в случае с гоночными автомобилями Scalextric, в сопротивлении выделяется много тепла и теряется мощность. Один простой и легкий способ управлять скоростью двигателя - регулировать величину напряжения на его выводах, и это может быть достигнуто с помощью « широтно-импульсной модуляции » или ШИМ.

Как следует из названия, управление скоростью с широтно-импульсной модуляцией работает, приводя двигатель в действие серией импульсов «ВКЛ-ВЫКЛ» и изменяя рабочий цикл, долю времени, в течение которой выходное напряжение находится в состоянии «ВКЛ» по сравнению с тем, когда оно «включено». ВЫКЛ »импульсов при постоянной частоте.

Мощность, подаваемая на двигатель, можно регулировать, изменяя ширину этих приложенных импульсов и тем самым изменяя среднее напряжение постоянного тока, подаваемое на клеммы двигателя. Изменяя или модулируя синхронизацию этих импульсов, можно управлять скоростью двигателя, т. Е. Чем дольше импульс находится в состоянии «ВКЛ», тем быстрее двигатель будет вращаться, и, аналогично, чем короче импульс «ВКЛ», тем медленнее двигатель. будет вращаться.

Другими словами, чем шире ширина импульса, тем больше среднее напряжение, приложенное к клеммам двигателя, тем сильнее магнитный поток внутри обмоток якоря и тем быстрее двигатель будет вращаться, как показано ниже.

Форма волны с широтно-импульсной модуляцией

Использование широтно-импульсной модуляции для управления небольшим двигателем имеет преимущество в том, что потери мощности в переключающем транзисторе невелики, поскольку транзистор либо полностью включен, либо полностью выключен.В результате переключающий транзистор имеет значительно меньшее рассеивание мощности, что дает ему линейный тип управления, что приводит к лучшей стабильности скорости.

Также амплитуда напряжения двигателя остается постоянной, поэтому двигатель всегда работает на полную мощность. В результате двигатель может вращаться намного медленнее без остановки. Итак, как мы можем создать сигнал с широтно-импульсной модуляцией для управления двигателем. Просто используйте схему генератора Astable 555, как показано ниже.

Эта простая схема, основанная на известной микросхеме таймера NE555 или 7555, используется для создания необходимого сигнала широтно-импульсной модуляции с фиксированной выходной частотой.Конденсатор синхронизации C заряжается и разряжается током, протекающим через цепи синхронизации R A и R B , как мы видели в руководстве по таймеру 555.

Выходной сигнал на выводе 3 разъема 555 равен напряжению питания, при котором транзисторы полностью включаются. Время, необходимое для зарядки или разрядки C, зависит от значений R A , R B .

Конденсатор заряжается через сеть R A , но отводится от резистивной сети R B и через диод D 1 .Как только конденсатор заряжен, он сразу же разряжается через диод D 2 и сеть R B на вывод 7. Во время процесса разрядки выход на выводе 3 находится под напряжением 0 В, и транзистор выключается.

Тогда время, необходимое конденсатору C для прохождения одного полного цикла заряда-разряда, зависит от значений R A , R B и C, при этом время T для одного полного цикла задается как:

Время T H , в течение которого выход находится в состоянии «ВКЛ»: T H = 0.693 (R A ) .C

Время T L , в течение которого выход выключен, составляет: T L = 0,693 (R B ) .C

Общее время цикла «ВКЛ.» - «ВЫКЛ.» Определяется как: T = T H + T L с выходной частотой ƒ = 1 / T

С показанными значениями компонентов рабочий цикл формы волны можно отрегулировать от примерно 8,3% (0,5 В) до примерно 91,7% (5,5 В), используя источник питания 6,0 В. Астабильная частота постоянна и составляет примерно 256 Гц, и двигатель переключается на «ВКЛ» и «ВЫКЛ» с этой скоростью.

Резистор R 1 плюс «верхняя» часть потенциометра, VR 1 представляют резистивную цепь R A . В то время как «нижняя» часть потенциометра плюс R 2 представляет резистивную цепь R B выше.

Эти значения могут быть изменены для различных приложений и двигателей постоянного тока, но при условии, что схема 555 Astable работает достаточно быстро при минимуме в несколько сотен герц, рывков во вращении двигателя быть не должно.

Диод D 3 - наш давний любимый диод маховика, используемый для защиты электронной схемы от индуктивной нагрузки двигателя. Также, если нагрузка двигателя высока, установите радиатор на переключающий транзистор или полевой МОП-транзистор.

Широтно-импульсная модуляция - отличный метод управления мощностью, подаваемой на нагрузку, без потери мощности. Вышеупомянутая схема также может использоваться для управления скоростью вентилятора или для уменьшения яркости ламп постоянного тока или светодиодов.Если вам нужно управлять им, используйте для этого Pulse Width Modulation .

Однофазный регулятор напряжения переменного тока с импульсным напряжением серии

MGR-DV | HUIMULTD

[Вся информация на этом веб-сайте предназначена только для справки, фактический продукт и прилагаемое руководство по продукту имеют преимущественную силу. Если у вас есть вопросы, обращайтесь к webmaster @ huimultd.com .]

Введение


Твердотельный регулятор напряжения с цифровым сигнальным типом серии MGR-DV использует стандартный корпус. Посредством автоматического цифрового управляющего сигнала (импульсное напряжение) серия MGR-DV может управлять напряжением нагрузки однофазной нагрузки переменного тока.

Как заказать


MGR (однофазный регулятор напряжения с цифровым сигналом, стандартный комплект)
- [номинальный ток]
- DV (импульсный сигнал)

Параметры


Серия MGR-1VD

Метод управления: Автоматическое управление - импульсный сигнал
Напряжение нагрузки: 24 ~ 380 В переменного тока (например, 24 В переменного тока, 36 В переменного тока, 85 В переменного тока, 110 В / 120 В переменного тока, 220 В переменного тока / 230 В переменного тока, 380 В переменного тока / 230 В переменного тока или индивидуальное напряжение)
Ток нагрузки: 10A, 25A, 40A, 60A, 80A, 100A, 120A
Размеры и установка: 57.4 мм * 44,8 мм * 28 мм; Твердотельное реле для монтажа на панели с прозрачной крышкой, металлическим основанием и винтовыми клеммами

Характеристики


● «Сверхнизкий» входной ток
● Низкий выходной ток утечки в закрытом состоянии
● Низкое падение выходного напряжения в открытом состоянии
● Стандартная выходная RC демпферная цепь
● Полная совместимость с различными методами управления, позволяющая компьютеру легко регулировать напряжение по сети

Размеры и электрическая схема


Регулятор мощности серии MGR-DV

Приложение


● Приложения, требующие регулировки напряжения.

Меры предосторожности и ответы на часто задаваемые вопросы


● Если ток нагрузки составляет 10 А, необходимо оборудовать радиатор; если ток нагрузки составляет 40 А и более, необходимо установить радиатор с воздушным охлаждением или радиатор с водяным охлаждением.
● Когда нагрузка представляет собой индуктивную нагрузку, обязательно подключите варистор параллельно выходной клемме, значение напряжения которой в 1,6–1,9 раза превышает напряжение нагрузки.

Все стандартные модели, которые мы предлагаем


● Серия MGR-DV (однофазный, цифровой сигнал)

Напряжение нагрузки 24 ~ 380 В переменного тока
  • MGR-10DV
  • MGR-25DV
  • MGR-40DV
  • MGR-60DV
  • MGR-80DV
  • MGR-100DV
  • MGR-120DV

* Доступны индивидуальные модели, свяжитесь с нами.

Советы

1) При выборе номинального тока твердотельного реле / ​​твердотельного модуля учитывайте соответствующий коэффициент снижения номинальных характеристик.
2) Вы можете посетить Ресурс для просмотра и загрузки файлов.
3) Вы можете посетить раздел «Продукты», чтобы просмотреть и узнать о других продуктах.
4) Посетите раздел «Информация», чтобы просмотреть и узнать о твердотельных реле / ​​твердотельных модулях.
5) Вы также можете посетить раздел «Помощь» или «Свяжитесь с нами», чтобы получить дополнительную поддержку.

Какие протоколы связи представлены на рынке?

РЕГЛАМЕНТ ГЕНЕРАТОРА: Какие протоколы связи существуют на рынке?

Франк, инженер-электронщик INTITEK-TMA, объясняет основные различия между современными решениями для регулирования генератора:

Генератор - это электрическая система, которая обеспечивает питание различных встроенных систем автомобиля, а также заряжает аккумулятор.Чтобы взять на себя эту роль, напряжение генератора должно быть постоянно выше, чем напряжение батареи, что является упрощенным обобщением принципа регулирования.

В более ранних технологиях генераторов переменного тока регулирование осуществлялось встроенным (или внешним) регулятором, который был напрямую связан с напряжением батареи. В настоящее время регулирование управляется бортовым компьютером (ЦП), который собирает информацию со всего транспортного средства и оптимизирует команды.

В современной автомобильной промышленности существует большое разнообразие технологий протоколов связи. Эти протоколы отправляют «сообщения» генератору переменного тока для управления регулируемым напряжением.

Их можно разделить на 3 семейства:

+ «Простые» протоколы
+ «Расширенные» протоколы
+ «Умные» протоколы

1 - «Простые» протоколы


В этом семействе есть только протокол « C-Term » от Toyota и Honda.
Генератор регулирует напряжение около 14 В. Когда клемма «C» заземлена, регулируемое напряжение падает до 12,8В.
Эта функция используется, когда двигателю транспортного средства требуется больше мощности. При понижении регулирующего напряжения уменьшается механическая нагрузка и двигатель выключается.
Этот протокол «простой», так как мы можем выбирать между только двумя напряжениями регулирования: 12,8В или 14В .

Форма сигнала

2 - «Расширенные» протоколы

Это семейство содержит большинство протоколов современных генераторов переменного тока.

Среди них можно перечислить:

+ PCM на автомобилях Ford и Land Rover в Европе
+ RVC на автомобилях GM
+ RLO на автомобилях Toyota
+ P&D на автомобилях Mazda, Kia или Mitsubishi

В этом случае мы говорим о «расширенных» протоколах, потому что напряжение регулирования полностью контролируется и устанавливается ЦП.
Эти протоколы используют кодировку типа ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Ширина импульса сигнала, отправляемого бортовым компьютером на генератор , определяет регулируемое напряжение .

Пример :
PCM говорит, что для ширины импульса 55% регулируемое напряжение составляет 14,2 В.
Ширина импульса называется рабочим циклом. Это соответствует проценту продолжительности высокого состояния сигнала относительно периода (см. Следующее изображение)

Форма сигнала (ширина импульса = 55%)

Протоколы этого семейства различаются на:

+ их частота сигнала
+ их амплитуда напряжения сигнала
+ коэффициент преобразования

3 - «Умные» протоколы

Последнее семейство, наиболее сложное и одновременно наиболее продвинутое, состоит из протоколов LIN и BSS с их производными: Lin1, Lin2, Lin3, BSS1, BSS2…
Эти протоколы считаются «умными». потому что они контролируют и устанавливают больше, чем напряжение регулирования .Например, Lin позволяет установить время отклика , режимы по умолчанию
Связь между ЦП и генератором переменного тока - двусторонний поток . генератор может ответить на вопрос ЦП, и эти ответы представляют собой сообщения, содержащие различную информацию, например, поломки , температуры , регулирование напряжения


Протоколы этого семейства различаются на:

+ их скорость передачи данных
+ их метод кодирования
+ их амплитуда напряжения сигнала


Пример рамы Lin

Подробнее о протоколах LIN читайте в этой статье: LIN FOR DUMMIES

ВЫВОД:

Сложность и разнообразие различных коммуникационных технологий для регулирования генераторов делают испытания очень сложными без использования современных инструментов .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *