Регулировать напряжение питания мощных потребителей удобно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией. Преимущество таких регуляторов заключается в том, что выходной транзистор работает в ключевом режиме, а значить имеет два состояния - открытое или закрытое. Известно, что наибольший нагрев транзистора происходит в полуоткрытом состоянии, что приводит к необходимости устанавливать его на радиатор большой площади и спасать его от перегрева.
Предлагаю простую схему ШИМ регулятора. Питается устройство от источника постоянного напряжения 12В. При указанном экземпляре транзистора, выдерживает ток до 10А.
Рассмотрим работу устройства: На транзисторах VT1 и VT2 собран мультивибратор с регулируемой скважностью импульсов. Частота следования импульсов около 7кГц. С коллектора транзистора VT2 импульсы поступают на ключевой транзистор VT3, который управляет нагрузкой. Скважность регулируется переменным резистором R4. При крайнем левом положении движка этого резистора, см. верхнюю диаграмму, импульсы на выходе устройства узкие, что свидетельствует о минимальной выходной мощности регулятора. При крайнем правом положении, см. нижнюю диаграмму, импульсы широкие, регулятор работает на полную мощность.
Диаграмма работы ШИМ в КТ1
С помощью данного регулятора можно управлять бытовыми лампами накаливания на 12 В, двигателем постоянного тока с изолированным корпусом. В случае применения регулятора в автомобиле, где минус соединён с корпусом, подключение следует выполнять через p-n-p транзистор, как показано на рисунке.
Детали: В генераторе могут работать практически любые низкочастотные транзисторы, например КТ315, КТ3102. Ключевой транзистор IRF3205, IRF9530. Транзистор p-n-p П210 заменим на КТ825, при этом нагрузку можно подключать на ток до 20А!
И в заключении следует сказать, что данный регулятор работает в моей машине с двигателем обогрева салона уже более двух лет.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VT1, VT2 | Биполярный транзистор | KTC3198 | 2 | В блокнот | ||
| VT3 | Полевой транзистор | N302AP | 1 | В блокнот | ||
| C1 | Электролитический конденсатор | 220мкФ 16В | 1 | В блокнот | ||
| C2, C3 | Конденсатор | 4700 пФ | 2 | В блокнот | ||
| R1, R6 | Резистор | 4.7 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 2.2 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 27 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R4 | Переменный резистор | 150 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R5 | Резистор |
В предлагаемой статье сравниваются три различных подхода к созданию стабилизатора напряжения с выходным напряжением 5 В и максимальным током нагрузки 100 мА, получающего питание от шины 24 В. Синхронный понижающий преобразователь сравнивается с интегральным линейным регулятором и с линейным регулятором на дискретных элементах. Сравнение размеров, КПД, тепловых характеристик, переходных характеристик, шумов, сложности схемы и ее стоимости поможет конструкторам сделать выбор варианта, наилучшим образом отвечающего требованием конкретного приложения.
Условия сравнения
Напряжение 5 В требуется в большинстве промышленных приложений, использующих шину 24 В, для питания, например, логических схем и низковольтных микропроцессоров. Ток 100 мА был выбран как достаточный для большинства подобных нагрузок. Однако на принятие решения о выборе импульсного или линейного регулятора может повлиять уровень рассеиваемой мощности. Изображенные на Рисунках 1, 2 и 3 схемы собраны на общей печатной плате с использованием абсолютно одинаковых конденсаторов емкостью 1 мкФ на входе и 4.7 мкФ на выходе.
В схеме на Рисунке 1 используется выпускаемый синхронный понижающий преобразователь с интегрированными силовыми MOSFET. Заметим, что этой схеме не требуется фиксирующий диод, но нужны индуктивность, пять конденсаторов и четыре резистора, часть из которых устанавливается в цепь частотной компенсации петли ОС. Схема настроена таким образом, чтобы в ней можно было использовать такие же входные и выходные конденсаторы, как и в линейных схемах, изображенных на Рисунках 2 и 3.
Конструкция, изображенная на Рисунке 2, основана на популярном, давно ставшим стандартом отрасли линейном стабилизаторе с широким диапазоном входных напряжений и выходным током до 1.5 А. В схеме использованы два внешних резистора и два конденсатора. Существенное различие между входным и выходным напряжениями и, соответственно, большая рассеваемая мощность, требуют использования микросхемы в корпусе с низким тепловым сопротивлением (DDPak).
Для реализации схемы на дискретных приборах, показанной на Рисунке 3, требуются транзистор, стабилитрон, два внешних конденсатора и четыре резистора. Стабилитрон с напряжением пробоя 5.6 В подключен к базе NPN транзистора. Падение на переходе база-эмиттер уменьшает выходное стабилизированное напряжение примерно до 5 В. Внешние резисторы принимают на себя рассеяние части избыточной мощности, облегчая тепловой режим транзистора.
Таблица 1 позволяет сравнить три конструкции по количеству используемых компонентов и необходимой площади печатной платы.
| Таблица 1. | Площадь платы и количество компонентов. |
Вследствие необходимости обеспечения надлежащего температурного рельефа на печатной плате, линейные регуляторы требуют большей площади. При максимальной нагрузке каждый линейный регулятор должен рассеивать мощность порядка 2 В. Согласно эмпирическому правилу, каждый ватт мощности, рассеваемый на участке печатной платы размером 1 × 2 дюйма, повышает ее температуру на 100 °C. Линейные регуляторы конструируются таким образом, чтобы их перегрев не превышал 40 °C. Безусловно, при ограниченной площади печатной платы предпочтительным будет синхронный понижающий преобразователь, даже, несмотря на увеличенное количество внешних компонентов и сложность расчетов схемы частотной компенсации цепи обратной связи и величины индуктивности.
Тепловые характеристики
Термограмма на Рисунке 4 показывает температурный профиль каждой из трех схем, размещенных на печатной плате. Плата сконструирована таким образом, чтобы ни одна схема не влияла на тепловые характеристики соседней схемы. Из Таблицы 2 видно, что импульсный регулятор работает с наименьшим перегревом, равным 11 °C. Вследствие большой разницы между входными и выходными напряжениями, импульсный регулятор с синхронным выпрямлением по эффективности превосходит любую из линейных схем (Таблица 3). Обратите внимание, перегрев схемы интегрального линейного регулятора отличается от перегрева дискретной линейной схемы. Это связано с тем, что корпус интегрального регулятора (DDPak) крупнее, и рассеиваемое им тепло распределяется по большей площади. Используемые в дискретной линейной схеме корпуса SOT-23 и SOT223 меньше, чем DDPak, что делает отвод тепла более сложным.
| Таблица 2. | Сводка тепловых характеристик. | ||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||
Сравнение эффективности
Тепловые характеристики каждого регулятора непосредственно связаны с его КПД. Сравнить КПД трех схем позволяет Рисунок 5. Как и следовало ожидать, импульсный регулятор здесь вне конкуренции - и при легких нагрузках, и при максимальных. При облегченных нагрузках доминируют потери переключения и собственный ток потребления, чем и объясняется снижение КПД при малых выходных токах. При легких нагрузках лучше рассматривать графики потерь мощности (Рисунок 6), чем КПД, поскольку двукратное различие в КПД при токе 10 мА выглядит слишком большим. В то же время, величина тока, потребляемого нагрузкой, очень мала. При входном напряжении 24 В и выходном токе 10 мА потери мощности в импульсном регуляторе составляют 2.8 мВт, а в интегральном линейном - 345 мВт. При максимальной нагрузке измеренные потери мощности равны 0.093 Вт для импульсного регулятора и 2.06 Вт для линейного.
В Таблице 3 собраны результаты измерений КПД и потерь мощности для всех трех схем. Можно заметить, что собственный ток потребления дискретного линейного регулятора меньше, чем у его интегрального аналога. Интегральный линейный регулятор содержит больше расходующих энергию внутренних цепей, но при этом он выполняет больше функций, чем дискретный.
| Таблица 3. | Эффективность и потери мощности. | |||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Выходные характеристики
Аналоговые схемы могут быть чувствительными к пульсациям питания, а цифровые процессоры - к точности поддержания напряжения питания ядра. Поэтому важно сравнить наши схемы по таким параметрам, как пульсации на выходе, точность стабилизации напряжения и реакция на скачкообразное изменение нагрузки. Линейные регуляторы по самой своей природе отличаются малыми пульсациями, и часто используются для удаления шумов импульсных преобразователей.
Пульсации напряжения обеих схем линейных регуляторов при максимальной нагрузке не превышают 10 мВ. В долях от выходного напряжения это лучше, чем 0.2%. С другой стороны, пульсации импульсного преобразователи достигают 75 мВ, или 1.5% от выходного напряжения. Уменьшить пульсации в схеме импульсного регулятора позволяет низкое эквивалентное последовательное сопротивление выходного керамического конденсатора.
При сравнении точности стабилизации выходных напряжении во всем диапазоне нагрузок выигрывает импульсный регулятор. Из справочных данных на использованные компоненты видно, что источник опорного напряжения (ИОН) импульсного преобразователя характеризуется наилучшей точностью. Импульсные регуляторы являются относительно новыми интегральными схемами, и качество их ИОН постоянно улучшается. Дискретная линейная схема, в которой использован простейший метод стабилизации выходного напряжения, имеет наихудшие характеристики. Однако часто от источника 5 В и не требуется высокой точности, особенно, если это напряжение является входным для регуляторов следующего уровня.
Осциллограммы выходных напряжений и токов в переходных режимах можно увидеть на Рисунках 7-9. Хотя точность поддержания напряжения у импульсного регулятора высока, его переходные характеристики намного хуже, чем у линейных схем. Измеренный от пика до пика отклик импульсного регулятора на скачок тока нагрузки от 50 до 100 мА составляет 250 мВ, или 5% от выходного напряжения, против 40 мВ у линейных схем. Уменьшить выбросы напряжения на нагрузке импульсного регулятора можно с помощью дополнительного выходного конденсатора, однако это приведет к росту цены и размеров. Следует отметить, что дискретная линейная схема не рассчитана на стабилизацию выходного напряжения во время переходных процессов в нагрузке. Кроме того, простота схемы не позволяет реализовать функции ограничения тока или защитного отключения при перегреве.
В Таблице 4 собраны характеристики выходного напряжения для трех схем регуляторов.
| Таблица 4. | Сводка характеристик выходного напряжения. | ||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||
Сравнение стоимости
Большинство используемых в схемах внешних компонентов - это пассивные резисторы и конденсаторы, стоящие намного меньше $0.01. Самыми дорогими во всех трех схемах являются кремниевые приборы. Приведенные в Таблице 5 данные по стоимости комплектующих для всех вариантов схемы собраны в США по каналам дистрибуции на основе розничных цен, рекомендованных для партий из 10,000 компонентов. Как видим, оба линейных регулятора намного дешевле импульсного. К сожалению, для импульсного регулятора необходима внешняя индуктивность, которая может стоить порядка $0.10, однако дополнительные расходы могут быть оправданы улучшением КПД и габаритных характеристик. Разница в ценах линейных схем составляет всего лишь $0.06! При выборе между интегральным и дискретным линейным регулятором первый может оказаться предпочтительнее вследствие наличия встроенных цепей защиты.
Заключение
В распоряжении разработчиков источников питания имеется большой выбор технических решений. Какое будет лучшим - зависит от требований, предъявляемых к конкретному приложению. Системы управления питанием, потребляющие меньше энергии и занимающие меньше места на плате, позволяют разработчикам сделать их продукты более индивидуальными и привлекательными для рынка. Синхронные понижающие преобразователи радикально отличаются от линейных регуляторов эффективностью и компактностью. Если на первое место выдвигается цена решения, возможно, будет целесообразным использование дискретного линейного регулятора, однако платой за это станут более плохие характеристики, отсутствие защитных функций и, вполне вероятно, дополнительные затраты на теплоотвод.
Линейный дискретный
Полный набор характеристик всех трех регуляторов, необходимых разработчику для выбора варианта, наилучшим образом отвечающего требованиям создаваемого им приложения, приведен в Таблице 6.
Схема очень простого мощного импульсного регулируемого стабилизатора напряжения с высоким КПД
Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “
Сегодня мы с вами рассмотрим схему мощного импульсного регулируемого стабилизатора напряжения . Данная схема может применяться как для установки в радиолюбительские устройства с фиксированным выходным напряжением, так и в блоках питания с регулируемым выходным напряжением. Хотя схема очень проста, но она обладает достаточно хорошими характеристиками и доступна для повторения радиолюбителями с любой начальной подготовкой.
Основой данного стабилизатора является специализированная микросхема LM-2596T-ADJ , которая как-раз и предназначена для построения импульсных стабилизаторов регулируемого напряжения. Микросхема имеет встроенную защиту по выходному току и тепловую защиту. Кроме того в схеме имеется диод D1 – диод Шоттки типа 1N5822 и дроссель заводского изготовления (в принципе, его можно изготовить самостоятельно) индуктивностью 120 микрогенри. Конденсаторы С1 и С2 – на рабочее напряжение не ниже 50 вольт, резистор R1 мощностью 0,25 ватт.
Для получения регулируемого напряжения на выходе, необходимо к контактам 1 и 2 подключить переменный резистор (с как можно меньшей длиной проводов подключения). Если необходимо на выходе получить фиксированное напряжение, то вместо переменного резистора устанавливается постоянный, номинал которого подбирается опытным путем.
Кроме того, в серии LM-2596 есть фиксированные стабилизаторы на напряжение 3,3 В, 5В и 12 В схема подключения которых еще проще (можно просмотреть в даташите).
Технические характеристики:
Как видите характеристики для применения этой схемы в блоке питания довольно приличны (по даташиту выходное напряжение регулируется в пределах 1,2-37 вольт). Эффективность стабилизатора при входном напряжение 12 вольт, выходном – 3 вольта и токе нагрузки 3 ампера – составляет 73%. При изготовлении данного стабилизатора нельзя забывать, что чем больше входное напряжение и меньше выходное – допустимый ток нагрузки будет уменьшаться, поэтому данный стабилизатор необходимо установить на радиатор с площадью не менее 100 кв.см. Если схема будет работать при небольших токах нагрузки, то радиатор ставить необязательно.
Ниже приводятся внешний вид основных деталей, их примерная стоимость в интернет-магазинах и расположение деталей на плате.
Исходя из схемы расположения деталей, самостоятельное изготовление печатной платы не представляет трудностей.
Данная схема может работать в режиме стабилизации выходного тока, что позволяет применять ее для заряда аккумуляторных батарей, питания мощного или группы мощных светодиодов и т.п.
Для включения схемы в режим стабилизации тока, необходимо параллельно резистору R1 установить резистор, номинал которого определяется по формуле: R=1,23/I
Себестоимость данной схемы составляет приблизительно 300 рублей, что как минимум на 100 рублей дешевле покупки готового изделия.
И ТРАНЗИСТОРНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Ключи на биполярных транзисторах составляют основу большинства импульсных и цифровых схем, с их помощью реализуются широко используемые схемы транзистор-транзисторной логики ТТЛ. Наибольшее распространение получил ключ с общим эмиттером (рис. 5.1), в котором нагрузка R К включена в цепь коллектора транзистора.
Рисунок 5.1 - Схема транзисторного ключа
В ключевом режиме транзистор находится в двух основных состояниях.
1 Состояние (режим) отсечки (ключ разомкнут). При этом через транзистор протекает минимальный ток I К = I КО » 0. Для того, чтобы транзистор находился в состоянии отсечки, необходимо сместить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора, т.е. для транзистора n-p-n типа выполнить условие U БЭ < 0. Это достигается либо при U ВХ < 0, либо подачей на базу постоянного напряжения смещения Е СМ, которое обеспечит U Б < 0 при U ВХ = 0.
Мощность, теряемая на транзисторном ключе в режиме отсечки Р К = U К I К, очень мала ток как мал ток.
2 Состояние (режим) насыщения (ключ замкнут). В этом режиме оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, т.е. электрическое сопротивление цепи коллектор - эмиттер очень мало (близко к нулю). Ток через транзистор в режиме насыщения определяется резистором R .К:
I КН = (Е К - U КН)/R К » Е К / R К, (5.1)
так как U КН » 0.
Режим насыщения достигается при
I Б = I БН = I КН / K I = I КН / h 21Э. (5.2)
Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие (5.2) выполнялось при минимальном значении статического коэффициента усиления h 21Э = h 21Э min для транзисторов данного типа. При этом входное напряжение должно удовлетворять условию
U ВХ /R 1 - Е СМ / R 2 ³ I БН g = gI КН / h 21Эmin (5.3)
где g - степень насыщения (g = 1,2...2).
Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе Р К = U К I К очень мала, так как мало напряжение U КЭН. Напряжение U КЭН приводится в справочниках. Для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым U КЭН << Е К.
Ключевые элементы применяются также в импульсных регуляторах напряжения, имеющих высокий КПД. Регулировать среднее значение напряжения на нагрузке можно изменением параметров импульсов. Наибольшее распространение получили широтно-импульсный способ регулирования, при котором амплитуда и период следования импульсов постоянны, а изменяется длительность импульса и паузы, а также частотно-импульсный метод, при котором постоянны амплитуда и длительность импульса, а изменяется период следования импульсов.
Импульсные регуляторы широко применяют как регуляторы и стабилизаторы напряжения, используемые для питания обмоток возбуждения электрических машин, электродвигателей постоянного тока, нагревательных элементов и других устройств и процессов, допускающих питание импульсным напряжением.
Импульсные регуляторы выполняются на тиристорах или транзисторах.
Транзисторный импульсный регулятор напряжения содержит генератор импульсов, параметры которых могут регулироваться вручную или автоматически, а на выходе генератора включен транзистор, работающий в ключевом режиме.
Отношение периода следования импульсов Т к длительности импульса t И называется скважностью Q И = Т/t И. Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения a = 1/Q И = t И /Т.
Среднее напряжение на нагрузке
U Н.СР = aЕ, (5.4)
где Е - напряжение питания выходного транзистора и последовательно включенной нагрузки.
Действующее значение напряжения
U Н..Д = ÖaЕ. (5.5)
Для активной нагрузки существенно действующее значение напряжения. Для нагрузки типа двигателя постоянного тока и нагрузки, работающей со сглаживающими фильтрами, важно среднее значение напряжения.
Если нагрузка носит индуктивный характер, то она должна шунтироваться диодом, включенным в обратном направлении. Диод защищает выходной транзистор от перенапряжений, возникающих в индуктивности при резком спаде тока в момент запирания транзистора. При этом ток в нагрузке становится непрерывным, протекая то от источника питания Е, когда ключ замкнут, то через шунтирующий диод, когда ключ разомкнут, за счет энергии, запасенной в индуктивности.
При идеальном ключе напряжение на нагрузке имеет форму прямоугольных импульсов, а ток пульсирует, изменяясь по экспоненциальной зависимости с постоянной времени t = L Н /R Н.
5.2 Описание лабораторной установки
Лабораторная установка включает:
Транзистор КТ808ГМ;
Набор резисторов;
Источники регулируемого напряжения;
Импульсный регулятор напряжения с широтно-импульсной модуляцией;
Вольтметры и миллиамперметры;
Электронный осциллограф.
Импульсные регуляторы напряжения
Преобразователи постоянного напряжения
К преобразователям постоянного напряжения относятся импульсные регуляторы напряжения и широтно-импульсные преобразователи.
Импульсные регуляторы напряжения применяются для регулирования постоянного напряжения. По сравнению с другими методами регулирования они обеспечивают лучшие энергетические характеристики, имеют меньшую массу и габариты.
Принцип импульсного регулирования заключается в том, что источник постоянного тока периодически подключается к нагрузке с некоторой частотой. Длительность интервала подключения t u за один период T определяет величину напряжения на нагрузке. Нагрузке (если она активная) придаётся индуктивный характер с помощью дросселя L . Параметры цепи выбирают таким образом, чтобы постоянная времени цепи нагрузки значительно превышала период коммутации тока. При этом в цепи нагрузки обеспечивается непрерывное протекание тока с допустимой пульсацией.
Схема импульсного регулятора понижающего типа приведена на рис. 3.1 (a), временные диаграммы работы этой схемы – на рис. 3.1 (б).
При включённом транзисторе VT ток дросселя нарастает практически по линейному закону от I min до I max . Напряжение на дросселе при этом равно:
а на нагрузке
при условии, что .
При выключенном транзисторе ток дросселя уменьшается от I max до I min , при этом напряжение на дросселе обеспечивает значение напряжения на нагрузке:
().
.
Следовательно, изменяя коэффициент заполнения управляющих импульсов, можно регулировать напряжение на нагрузке в пределах 0…E П .
С учётом падений напряжения на транзисторе и диоде реальное максимальное напряжение составляет (0.9 … 0.95)E П .
Если нагрузка имеет индуктивный характер (например, двигатель постоянного тока), то требуемое значение пульсаций тока достигается за счёт выбора частоты коммутации транзистора VT . Абсолютная величина равна:
,
и максимальное значение достигается при К З = 0.5 . С учётом этого требуемое значение частоты коммутации для обеспечения требуемого коэффициента пульсации тока равно:
.
При активном характере сопротивления нагрузки в цепь включается дроссель с индуктивностью L , который определяет пульсации тока в нагрузке. Для уменьшения индуктивности дросселя параллельно нагрузке включается конденсатор. Для обеспечения непрерывного характера тока дросселя величина должна удовлетворять условию:
При наличии конденсатора переменная составляющая тока дросселя (треугольная по форме) замыкается через конденсатор. Падение напряжения на конденсаторе, обусловленное током первой гармоники, определяет пульсации напряжения на нагрузке:
Для треугольной формы тока амплитуда первой гармоники максимальна при К З = 0.5 и составляет (согласно разложению в ряд Фурье):
.
Следовательно,
;
При использовании в качестве коммутирующего элемента мощных полевых транзисторов MOSFET и IGBT частота коммутации может составлять десятки – сотни килогерц.
При использовании тиристоров частота коммутации не превышает нескольких килогерц. Схема импульсного регулятора на незапираемом тиристоре с принудительной коммутацией приведена на рис. 3.2.
Для запирания основного тиристора VS1 используются вспомогательный тиристор VS2 и коммутирующий конденсатор С . Предварительно конденсатор С заряжается по цепи VS2 – R – Lн до напряжения питания. После включения VS1 конденсатор перезаряжается по цепи VS1 – VD1 – Lк – С , причём переходной процесс носит колебательный характер. Наличие диода VD1 приводит к тому, что в цепи протекает только первый положительный полупериод тока конденсатора, после чего напряжение на конденсаторе не изменяется. Для выключения тиристора VS1 включается тиристор VS2 и конденсатор С разряжаясь по цепи VS2 , VS1 выключает, приложенным в обратном направлении напряжением, тиристор VS1 . При этом напряжение на нагрузке скачком увеличится до значения E+Uc . Ток нагрузки на интервале коммутации остаётся неизменным, поэтому напряжение на конденсаторе изменяется по линейному закону. Когда конденсатор С разрядится до нуля, на аноде тиристора VS1 вновь нарастает прямое напряжение со скоростью . Для надёжного запирания тиристора VS1 время разряда конденсатора должно быть больше времени выключения тиристора.
Далее напряжение на нагрузке продолжает линейно снижаться до полного перезаряда конденсатора С через тиристор VS2 . Когда ток тиристора VS2 уменьшится до нуля, он выключится. Ток нагрузки замыкается по цепи диода VD 0 .
Наличие “всплесков” напряжения на нагрузке требует выбирать полупроводниковые приборы на двойное напряжение питания. Кроме того, диапазон регулирования напряжения уменьшается, так как при малых коэффициентах заполнения эти “всплески” не позволяют снизить напряжение меньше определённого уровня.
В схеме импульсного регулятора с мягкой коммутацией основной тиристор VS1 шунтируется в обратном направлении диодом VD2 (рис. 3.3).
Процесс перезаряда конденсатора С происходит так же, как и в предыдущей схеме. После включения тиристора VS2 в цепи C – Lк – VS2 – VS1 – C возникает колебательный переходной процесс перезаряда конденсатора. Когда мгновенное значение разрядного тока конденсатора равно мгновенному току нагрузки, тиристор VS1 обесточивается и далее разность токов конденсатора и нагрузки замыкается по диоду VD2 . К основному тиристору VS1 приложено обратное напряжение, равное прямому падению напряжения на диоде VD2 . Ток через VD2 должен протекать в течение времени, достаточного для выключения основного тиристора VS1 . Когда ток конденсатора станет меньше тока нагрузки происходит дополнительный заряд конденсатора током нагрузки, и напряжение на нагрузке уменьшается по линейному закону, на этом интервале разностный ток нагрузки и конденсатора замыкается через диод VD 0 . Мгновенное значение напряжения на нагрузке не превышает величину Е .
Включение параллельно основному тиристору обратного диода позволяет отдавать мощность нагрузки в источник электропитания. Такой режим возможен при переходе двигателя постоянного тока в генераторный режим (режим динамического торможения). Вместе с тем, за счёт низкого обратного напряжения, приложенного к основному тиристору, увеличивается время выключения тиристора.
Схема импульсного регулятора, позволяющего регулировать напряжение на нагрузке от E П и выше, приведена на рис. 3.4.
Повышение напряжения на нагрузке осуществляется за счёт энергии дросселя, включённого последовательно в цепь нагрузки. При включенном транзисторе VT дроссель подключается к источнику постоянного напряжения, ток дросселя линейно нарастает от I min до I max . Напряжение на дросселе практически равно E П .
Закрытый диод разделает схему на два участка. Ранее заряженный конденсатор С разряжается на нагрузку, обеспечивая непрерывность тока нагрузки.
При закрытом транзисторе ток дросселя замыкается через открывшийся диод уменьшается от I max до I min . Напряжение на дросселе меняет полярность и по отношению к нагрузке включено последовательно согласно с источником питания:
,
(),
где 
.
Из равенства нулю среднего значения напряжения на дросселе следует:
Регулировочная характеристика (рис. 3.5) повышающего импульсного регулятора нелинейная, причём её вид зависит от соотношения сопротивлений элементов схемы (транзистора, диода, дросселя) и сопротивления нагрузки. При увеличении этого соотношения максимум напряжения уменьшается и устойчивая работа регулятора возможна до определённой величины коэффициента заполнения управляющих импульсов.
Среднее значение тока диода равно току нагрузки:
Среднее значение тока дросселя, а, следовательно, и источника постоянного напряжения равно:
.
Среднее значение тока транзистора равна:
.
Все полупроводниковые приборы должны быть выбраны на напряжение не меньше, чем максимальное значение напряжения на нагрузке.
Импульсные регуляторы для двигателей постоянного тока кроме регулирования величины напряжения, подаваемого на двигатель, должны выполнять ещё функции реверсирования (изменения полярности выходного напряжения) и динамического торможения (возврат энергии в источник постоянного напряжения при переходе двигателя в генераторный режим). Эти функции выполняются с помощью преобразователей постоянного напряжения с широтно-импульсным управлением.
Преобразователь представляет собой мостовую схему на полностью управляемых ключах, которые зашунтированы обратными диодами (рис. 3.6).
Обратные диоды используются для возврата энергии в источник, поэтому если источник постоянного напряжения не обладает двусторонней проводимостью (например, выпрямитель), то выход источника необходимо зашунтировать конденсатором С соответствующей ёмкости.
Основные параметры преобразователя определяются алгоритмом управления ключами. Различают три способа управления ключами:
Симметричный;
Несимметричный;
Поочерёдный.
При симметричном управлении ключи коммутируются попарно в противофазе. При включении ключей К1 и К4 напряжение на двигателе равно E П и имеет положительную полярность; при включении К2 и К3 напряжение на двигателе меняет полярность, оставаясь таким же по величине. Среднее значение напряжения на нагрузке определяется с учётом напряжений обеих полярностей (рис. 3.7 (а)).
Величина напряжения определяется коэффициентом заполнения управляющих импульсов: для одной пары ключей (К1 и К4 ) равен K З , а для другой (К2 и К3 ) – 1-K З :
.
В интервале изменения K З от 0 до 0.5 напряжение на нагрузке изменяется от -E П до 0, а в интервале от 0.5 до 1 – от 0 до E П .
Форма тока нагрузки имеет такой же характер, как и в импульсных регуляторах: при включённых ключах К1 и К4 ток нагрузки линейно нарастает от I min до I max , когда К1 и К4 закрыты, то ток нагрузки, определяемый индуктивностью нагрузки, через диоды VD2 и VD3 возвращает в источник энергию, запасённую в индуктивности, и уменьшается от I max до I min .
При работе нагрузки (двигатель постоянного тока) в генераторном режиме, когда э.д.с. якоря E Я больше Е П , ток нагрузки меняет своё направление и при включённых ключах К1 и К4 ток нагрузки через диоды VD1 и VD4 возвращает энергию в источник, при этом ток уменьшается от -I max до -I min , а при включенных ключах К2 и К3 ток нагрузки увеличивается от -I min до -I max , запасая энергию в индуктивности нагрузки. При изменении коэффициента заполнения управляющих импульсов изменяется величина энергии, возвращаемой в источник.
Симметричный способ управления характеризуется повышенными пульсациями тока нагрузки вследствие изменения напряжения на нагрузке от -E П до +E П , и непропорциональной зависимостью напряжения на нагрузке от коэффициента заполнения.
При несимметричном методе управления для положительной полярности напряжения на нагрузке ключи К1 и К2 управляются в противофазе, ключ К4 постоянно открыт, а К3 – постоянно закрыт. Для отрицательной полярности напряжения – наоборот: К3 и К4 управляются в противофазе, К2 – открыт, К1 – закрыт. Далее рассматривается работа преобразователя при положительной полярности напряжения на нагрузке (рис 3.7 (б)).
При открытом ключе К1 ток нагрузки увеличивается от I min до I max , напряжение на нагрузке равно +E П . Когда К1 закрывается, ток нагрузки замыкается через К4 и VD2 , уменьшаясь от I max до I min , при этом напряжение на нагрузке практически равно нулю. Коэффициент заполнения управляющих импульсов может изменяться от 0 до 1, при этом напряжение на нагрузке меняется от 0 до +E П :
При работе нагрузки в генераторном режиме при открытом К1 ток нагрузки через диоды VD1 и VD4 возвращает энергию в источник, а при открытом К2 ток нагрузки замыкается через К2 и VD4 , накапливая энергию в индуктивности нагрузки.
При недостаточно высокой граничной частоте коммутации ключей увеличить частоту пульсаций тока в нагрузке в два раза позволяет поочерёдный способ управления ключами. Если нет необходимости осуществлять режим возврата энергии в источник, то управляющее напряжение подаётся только на ключи одной диагонали: для положительного напряжения на К1 и К4 , для отрицательного – на К2 и К3 .
Форма управляющего напряжения показана на рис. 3.8 (а).
Длительность импульса изменяется в пределах от до , а паузы управляющих напряжений сдвинуты на половину периода . Напряжение на нагрузке равно напряжению питания, когда оба ключа открыты, и равно нулю, когда один из ключей закрыт. Ток нагрузки при этом замыкается через другой открытый ключ и соответствующий обратный диод. Такая ситуация возникает два раза за период управляющего напряжения, поэтому частота пульсаций напряжения и тока в нагрузке в два раза выше. Изменение длительности управляющих импульсов от до соответствует изменению коэффициента заполнения импульсов напряжения на нагрузке от 0 до 1.
Если управлять ключом К2 в противофазе с ключом К1, а ключом К3 в противофазе с ключом К4, то преобразователь может работать в режиме возврата энергии в источник при работе двигателя постоянного тока в генераторном режиме (рис. 3.8 (б)).