Главная » Книги и журналы

1 ... 9 10 11 12 13 14 15 ... 22

-о

д

Схеиа управления

Рис. 7-5. Импульсный стабилизатор с последовательным включением регулирующего транзистора и нагрузки и подключением дросселя фильтра параллельно нагрузке.

К моменту закрывания регулирующего транзистора схемой его управления (длительность открытого состояния Т по-нрежнему равна Y) ток в дросселе Др достигает своего максимального значения

/ /4- V т

Др.макоДр.мнн V

После закрывания регулирующего транзистора избыточная электромагнитная энергия, накопленная в Др иа предыдущем интервале, через открывшийся диод Д поступает в нагрузку, подзаряжая конденсатор фильтра. По сравнению с ранее рассмотренным стабилизатором (см. рис. 7-2) в параллельном стабилизаторе возможно повышение выходного напряжения по сравнению с напряжением питания. Зависимость- выходного напряжения от относительной длительности открытого состояния регулирующего транзистора приведена на рис. 7-6. В качестве независимого параметра

ч

3 2 1

О

			с

Рис 7-6. Регулировочные характеристики стабилизатора, вьПтолненного по схеме рис. 7-4.

0,г 0,4 0,6 0,8 1,0

р при построении регулировочных характеристик стабилизатора использовано отношение

Гф + Rn

где Гф - сопротивление дросселя фильтра; Rn - сопротивление нагрузки.

В стабилизаторах второго типа (см. рис. 7-5) одновременно со стабилизацией происходит инвертирование напряжения. Здесь

выходное напряжение по значению также может превышать значение напряжения питания, однако полярность его оказывается противоположной полярности последнего.

При открытом состоянии регулирующего транзистора Т дроссель Др накапливает избыточную электромагнитную энергию. Диод Д в этом режиме закрыт, нагрузка вместе с конденсатором фильтра отключена от источника питания. Переключение регулирующего транзистора в закрытое состояние сопровождается открыванием диода Д и переходом энергии, накопленной в Др. в конденсатор фильтра Сф и нагрузку.

Как показал анализ, проведенный в [22], в режиме непрерывных токов в дросселе фильтра выходное сопротивлеиие стабилизатора, выполненного по схеме, изображенной на рис. 7-2, примерно в 1/(1-y) раз меньше, чем в стабилизаторах других типов (рис. 7-4, 7-5). Прн работе в режиме холостого хода (?н=Р°) напряжение на выходе импульсного стабилизатора первого типа (рис. 7-2) равно напряжению питания, тогда как для двух других стабилизаторов оно может возрастать до бесконечности. Увеличение внутреннего сопротивления импульсных стабилизаторов в ре- жиме прерывистых токов в дросселе фильтра и увеличенне нх выходного напряжения при малых нагрузках являются существенными недостатками всех рассмотренных схем стабилизаторов.

Последний недостаток импульсных стабилизаторов можно устранить посредством некоторого усложнения их силовых схем путем включения дополнительного маломощного транзистора Т'д параллельно диоду фильтра, как показано на рис. 7-7,0-в. Дополнительный, транзистор управляется в противофазе с регулирующим транзистором и дает возможность протекания тока в дросселе фильтра в противоположном направлении под действием колебательного процесса в фильтре.

В стабилизаторе (см. рис. 7-2) пульсации выходного напряжения обратно пропорциональны произведению индуктивности дросселя фильтра на емкость его конденсатора. Эти пульсации (7-3) могут быть уменьшены посредством увеличения как i-ф, так и Сф.

Для двух других стабилизаторов (см. рис. 7-4, 7-5) пульсации Выходного напряжения пропорциональны току нагрузки, не зависят от индуктивности фильтра и могут быть уменьшены только за счет увеличения емкости конденсатора фильтра:

Как правило, для обеспечения одинаковых пульсаций выход- . ного напряжения в фильтре стабилизатора (см. рис. 7-2) требуется .конденсатор существенно меньшей емкости, чем в других стабилизаторах (см. рнс. 7-4, 7-5), где требуемая емкость конденсатора определяется по формуле

1- н.макс Ymekc

: Mt/,

По результатам анализа в [22] сделан ряд выводов. Во всех случаях, когда основным требованием является простота импульсного стабилизатора, а диапазон изменения напряжения питания позволяет применять транзисторы массового производства, целесообраз-

но использовать стабилизатор, схема которого изображена иа рис. 7-2.

Если требуемое выходное напряжение стабилизатора приближается к предельным значениям параметров, имеющихся в распоряжении разработчика транзисторов, а мощность источника питания во много раз превышает мощность нагрузки стабилизатора (р-0), то может оказаться рациональным использование стабилизатора по схеме рис. 7-4.

Наряду с рассмотренными выше схемами импульсных стаби-

Рис. 7-7. Импульсные стабилизаторы с дополнительным транзистором 7ц, исключающим-режим прерывистого тока в дросселе фильтра.

лизаторов, где в процессе стабилизации выходного напряжения изменяется длительность всего импульса напряжения на входе сглаживающего фильтра, (см. кривую д на рис. 7-3), в ИВЭ исполь-, зуется также импульсный стабилизатор, схема которого изображена на рис. 7-8, а. В таком стабилизаторе осуществляется режим частичной модуляции импульсов напряжения (/ф на входе сглаживающего фильтра (рис. 7-8,6). При закрытом состоянии регулирующего транзистора (/ф равно (/ , а при его открывании увеличивается до значения + .

Стабилизатор с частичной модуляцией (рис. 7-8, а) по сравнению со стабилизатором (см. рис. 7-2) характеризуется значительно лучшим использованием сглаживающего фильтра. Для этого стабилизатора требуемое произведение Z-фСф определяется выражением

К \ (t-Y) 8f Д(/

(7-9)

Основным средством уменьшения массы и габаритов сглаживающего фильтра в импульсных стабилизаторах является увеличение частоты переключений регулирующего транзистора. При этом

			пг\-
Схема упраблвиая

Рис. 7-8. Импульсный стабилизатор с частичной модуляцией импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра (а) и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу (б).

одновременно улучшаются динамические характеристики и повышается быстродействие таких стабилизаторов. В современных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры частота переключения регулирующего транзистора в импульсных стабилизаторах лежит в диапазоне от 2-5 до 20-50 кГц при выходных мощностях от 2-5 до 50- 100 Вт.

Ио мере повышения частоты переключения регулирующего транзистора усиливается влияние параметров, характеризующих качество процессов коммутации полупроводниковых приборов в импульсном стабилизаторе, на его характеристики. Так, например, увеличение относительной длительности процессов рассасывания избыточных носителей в базовых областях регулирующего транзистора и диода по отношению к уменьшающейся длительности рабочего периода равнозначно введению в контур регулирования некоторого эквивалентного звена с запаздыванием. Наличие такого дополнительного звена может привести к нарушению устойчивой работы импульсных стабилизаторов с широтно-импульсной модуляцией и переходу их в режим автоколебаний. При повышении частоты переключения регулирующего транзистора возрастают динамические потери в элементах стабилизатора и уменьщается его

От характера коммутационных процессов в рассматриваемых преобразовательных устройствах зависят ,также амплитудные значения токов через полупроводниковые приборы, т. е. их наиболее тяжелые электрические режимы.

Рассмотрим коммутационные процессы в основной схеме импульсного стабилизатора (см. рис. 7-2). Пусть в момент ty (рис. 7-9) базовый ток регулирующего транзистора начал уменьшаться. Регулирующий транзистор в течение интервала Л-2 остается в режиме насыщения - в его базовой области происходит процесс рассасывания избыточных носителей заряда. После того, как в момент и транзистор выходит из режима насыщения, ток в его коллекторной цепи начинает убывать при одновременном возра--стании тока в цепи диода Д. В момент h закрывание регулирующего транзистора заканчивается при равенстве его коллекторного тока нулевому значению.

В интервале h-t происходит передача энергии, накопленной

i Рис. 7-9. Осциллограммы быст-

рых и медленных процессов в вы-цр.макс сокочастотном импульсном ста-билизаторе (см. рис. 7-2).

в дросселе и конденсаторе сглаживающего фильтра, в нагрузку; ток дросселя замыкается через блокирующий диод Д и нагрузку. В момент и в базу регулирующего транзистора поступает нмнульс тока положительной полярности и в его коллекторной цени начинает нарастать ток при одновременном убывании тока в цепи диода. Регулирующий транзистор при этом работает в режиме короткого замыкания (диод Д открыт), и к нему приложено нанря-женце питания.

В момент 6 процесс рассасывания избыточных носителей в базовой области диода заканчивается, ток через диод резко уменьшается, а напряжение на нем скачком возрастает до значения напряжения питания. В интервале 4-4 ток через дроссель Др увеличивается по линейному закону вплоть до момента t, когда базовый ток регулирующего транзистора вновь начинает уменьшаться. В дальнейшем процессы в стабилизаторе повторяются.

Инерционность реальных полупроводниковых диодов является основной причиной появления коммутационных перегрузок регулирующего транзистора > /д. Эти перегрузки будут тем больше, чем лучше импульсные свойства регулирующего транзистора и хуже импульсные свойства диода. Так, например, при использовании в импульсных стабилизаторах (см. рис^ 7-2) обычного выпрямительного диода типа КД201А и силового дрейфового транзистора типа ГТ905А или КТ908А амплитуда коммутационного тока может в 5-10 раз и более превосходить значение тока нагрузки /д. Учитывая, что ток коллектора регулирующего транзистора ни в одном из возможных режимов работы стабилизатора не должен превосходить своего предельно допустимого значения, выбор типа регулирующего транзистора приходится проводить с учетом коммутационных перегрузок, что приводит к значительному ухудшению использования этого транзистора по току (поскольку должно выполняться условие/ С/к макс) увеличению потерь мощности в нем и уменьшению к.п.д. импульсного стабилизатора.

Для уменьшения коммутационных перегрузок регулирующего транзистора в его коллекторную цепь вводятся дополнител11Ные токоограничивающие элементы. На рис. 7-10 показано включение

Ар

Рис. 7-10. Импульсный стабилизатор с дополнительным однооб-моточным дросселем в коллекторной цепи регулирующего транзистора.

в цепь коллектора регулирующего транзистора дополнительного дросселя Лрдоп, шунтированного диодомДдоп и резистором Rpa-Временные диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу такого стабилизатора, приведены иа рис. 7-11.

Рис. 7-11. Осциллограммы, иллюстрирующие работу стабилизатора по рис. 7-10 (пунктир соответствует малому значению 1.доп).

				у
	г			г

t; tz

Дополнительный дроссель уменьшает скорость нарастания тока в коллекторной цепи регулирующего транзистора в интервале рассасывания избыточных носителей в базовой области закрываемого блокирующего диода, в результате чего уменьшаются амплитуда коммутационного тока и динамические потери мощности в регулирующем транзисторе. Резистор /?доп обеспечивает полРЮе закрывание диода Ддоп к моменту очередного открывания транзистора Т.

Эффективным средством уменьшения коммутационных токов в силовой схеме импульсного стабилизатора является также включение в эмиттерную (рис. 7-12) или коллекторную цепь регулирующего транзистора двухобмоточного дросселя. В последнем случае

- О

Рис. 7-12. Импульсный стабилизатор с двухобмоточным дросселем в цепи питания.

электромагнитная энергия, накопленная в дополнительном дросселе Дрдоп при протекании тока через регулирующий транзистор, возвращается в источник питания через диод Ддоп при закрытом транзисторе Т.

По сравнению с предыдущим случаем к.п.д. стабилизатора увеличивается за счет исключения потерь мощности в дополнительном резисторе, шунтирующем дроссель Дрдоп (см. рис. 7-10).

При протекании тока через диод Ддоп напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора достигает своего максимального значения, равного

где Ю] и W2 - соответственно числа витков первичной и вторичной обмоток дросселя Дрдоп.

Для уменьшения амплитуды напряжения на коллекторе Т соотношение между Wi и Wi рекомендуется выбирать равным Юг (5lO)Wi. При этом амплитуда напряжения на закрытом диоде Ддоп будет равна значению (Ъ~-\0)и„.

Дроссель Дрдоп в последнем случае должен иметь возможно меньшую индуктивность рассеяния обмоток и возможно лучшую магнитную связь между ними. Выполнение этого условия особенно важно при использовании в импульсном стабилизаторе дрейфовых транзисторов, так как большие скорости коммутации тока в первичной обмотке ДРдоп могут привести в этом случае к кратковременным перенапряжением на коллекторе закрывающегося транзистора Т. Для уменьшения коммутационных всплесков напряжения следует включать дополнительную цепочку RC (показана пунктиром на рис. 7-12).

Амплитуда коммутационного тока может быть принципиально уменьшена и без усложнения схемы стабилизатора за счет некоторого уменьшения скорости изменения тока базы регулирующего транзистора. В KaijecTBe примера на рис. 7-13 приведены осцилло-

Г^=2,7мкс ,

Рис. 7-13. Экспериментальные осциллограммы токов базы и коллектора регулирующего транзистора при различных режимах его работы.

граммы токов базы и коллектора регулирующего транзистора лученные при исследовании макета импульсного стабилизатора' вы полненного по схеме, изображенной на рнс. 7-2. В качестве регулирующего транзистора использовался силовой дрейфовый транзистор типа ГТ905А, в качестве диода - транзистор того же типа в диодном включении (прн коротком замыкании его эмиттера и базы).

Уменьшение скорости нарастания тока базы (постоянная времени нарастания тока базы при этом изменялась от 1;5 до 2,7 мкс) достигалось путем включения в базовую цепь регулирующего транзистора малогабаритного высокочастотного дросселя с индуктивностью 200 мкГ, шунтированного диодом. Как видно из приведенных осциллограмм, за счет указанного уменьшения скорости изменения тока базы регулирующего транзистора амплитуда коммутационного тока в его коллекторе уменьшилась примерно в 2 раза.

7-2. Практические схемы импульсных стабилизаторов

Как было отмечено выше, класс импульсных стабилизаторов чрезвычайно обширен. В связи с ограниченным объемом настоящей книги, и в частности данного ее параграфа, ниже рассматриваются лишь некоторые практические схемы импульсных стабилизаторов, отличающиеся друг от друга главным образом способом и схемой управления регулирующим транзистором.

На рис. 7-14 приведена схема простейшего последовательного

- О

Рис. 7-14. Схема простейшего импульсного стабилизатора' с конденсатором в цепи базы регулирующего транзистора.

импульсного стабилизатора, состоящего из регулирующего транзистора Ти блокирующего диода Ди LC-фильтра (Др, Cj) и схемы управления регулирующим транзистором. Последняя включает в себя дополнительный транзистор Т'г, в цепь базы которого включен конденсатор С усилитель постоянного тока на транзисторе Т'з, параметрический стабилизатор - источник опорного напряжения (3, Д?) и делитель напряжения Rz-R?. Регулирующий транзистор Т, открывается при закрытом транзисторе Гг; ток базы Ti протекает через резистор R[. При открывании транзистора Гг ранее открытый Ti закрывается, так как Гг шунтирует его вход.

При включении стабилизатора через разряженный конденсатор Су начинает протекать ток базы Т^, что привддит к его открыванию. Регулирующий транзистор при этом находится в закрытом состоянии.

После заряда С, ток базы транзистора прекращается, в результате чего он закрывается. Регулирующий транзистор Г, при этом переключается из закрытого состояния в открытое. Через открывшийся транзистор Т, напряжение на конденсаторе Ci прикладывается между эмиттером .и базой транзистора Т^, удерживая его в закрытом состоянии до тех пор, пока не закончится разряд конденсатора С,. После того, как напряжение на конденсаторе Су уменьшается практически до нулевого значения, вновь открывается транзистор Гг и закрывается регулирующий транзистор. В дальнейшем процессы переключения транзисторов в схеме рассматриваемого стабилизатора повторяются.

Увеличение выходного напряжения вследствие воздействия каких-либо дестабилизирующих факторов: увеличения питающего напряжения, уменьшения нагрузки стабилизатора и т. п.- приводит к увеличению тока через коллектор транзистора Гдиз-за возрастания наиряження между его базой и эмиттером. Так как при открытом регулирующем транзисторе Ту конденсатор Су перезаряжается коллекторным током транзистора Гд, то увеличение последнего приводит к уменьшению времени разряда Су и более раннему открыванию транзистора Гг и закрыванию регулирующего транзистора. При этом относительная (цо отношению к длительности рабочего периода), длительность открытого состояния транзистора Ту уменьшается, а выходное напряжение стабилизатора вновь возвра: щается к своему номинальному значению.

Уменьшение выходного напряжения вызывает уменьшение тока коллектора транзистора Гд, более медленный перезаряд конденсатора Су, увеличение длительности открытого состояния регулирующего транзистора, приводящее к увеличению выходного напряжения стабилизатора, а также к уменьшению частоты переключений.

При увеличении тока нагрузки стабилизатора увеличивается ток в дросселе фильтра, что приводит к более быстрому заряду конденсатора Су током, протекаюп№м через дроссель Др. В результате этого уменьшается время закрытого состояния регулирующего транзистора.

1рямая связь со входа стабилизатора на базу транзистора Гд через резистор 1R2 служит для облегчения начала переключений транзисторов Ту и Гг. В момент нодачи напряжения питания происходит открывание регулирующего транзистора Ту за счет протекания его тока базы через резистор Ry. Одновременно через резистор R2 протекает ток базы транзистора Гд, который вызывает появление тока в его коллекторе. Разряженный конденсатор Су заряжается током коллектора Гд через открытый транзистор Ту. При появлении на конденсаторе достаточного напряжения происходят закрывание Ту и первоначальное открывание Гг-

На рис. 7-15 приведены схемы параметрических импульсных стабилизаторов, содержащие насыщающийся трансформатор, который играет роль нелинейного элемента.

Рассмотрим работу схемы, изображенной на рис. 7-15, а. При открывании регулирующего транзистора Т напряжение питания прикладывается ко входу сглаживанэщего фильтра Др, Сф. На пер-

Рис. 7-15. Параметрические импульсные стабилизаторы с насыщающимся трансформатором (а) и насыщающимся автотрансформатором (б).

вичной обмотке насыщающегося трансформатора Тр появляется напряжение, равное разности напряжения питания и опорного напряжения f/on. подаваемого от вспомогательного источника достаточной мощности. Полярность напряжения на первичной обмотке Тр будет такова, что к началу обмотки, условно обозначенному точкой, прикладывается -г , а к концу обмотки - . При этом на вторичной обмотке Тр появляется напряжение, поддерживающее регулируй щий транзистор в открытом состоянии.

Для открывания регулирующего транзистора необходимо, чтобы ток, протекающий через резистор Ri и Дь был больше тока базы Т, протекающего через резистор R. В этом случае диод Д1 будет открыт. Регулирующий транзистор будет находиться в открытом состоянии вплоть до момента насыщения трансформатора Тр. При насыщении Тр напряжения на его обмотках уменьшаются до нулевых значений, ток базы регулирующего транзистора и его ток коллектора резко уменьшаются. Уменьшение коллекторного тока регулирующего транзистора Т в свою очередь приводит к открыванию диода Дг, так как за время коммутации ток в дросселе фильтра практически не успевает измениться.

Через открывшийся диод Дг к первичной обмотке Тр прикладывается опорное напряжение Uon с полярностью, противоположной исходной: -Ь прикладывается к концу обмотки, - к ее началу. Соответственно на вторичной обмотке Тр появляется напряжение обратной полярности, закрывающее регулирующий транзистор. Последний будет находиться в закрытом состоянии до момента очередного насыщения трансформатора Тр. В этот момент исчезает запирающее напряжение на входе транзистора Т и благодаря наличию положительной обратной связи через Тр регулирующий транзистор открывается. Далее процессы в схеме стабилизатора повторяются.

Цепочка из диода Д1 и резистора Ri служит для облегчения начала работы стабилизатора, подавая отпирающее смещение на базу регулирующего транзистора при отсутствии напряжения на выходе стабилизатора.

Увеличение напряжения на входе рассматриваемого стабилизатора приводит к увеличению напряжения на первичной обмотке Тр при открытом регулирующем транзисторе. В результате это- го Тр насыщается раньше, а длительность открытого состояния регулирующего транзистора уменьшается. При уменьшении питающего напряжения, наоборот, длительность открытого состояния pes Зак 260 131

1 ... 9 10 11 12 13 14 15 ... 22