Импульсный стабилизатор: что "это" такое?

В радиотехнике широко используются, в основном, два типа стабилизаторов: линейные и импульсные.
Линейные стабилизаторы действуют по принципу резистора: ограничивают протекающий через ключевой элемент (транзистор) ток так, чтобы напряжение (или ток) в нагрузке оставались постоянными. При этом часть полезной мощности теряется (выделяется в виде тепла на регулирующем транзисторе).

В некоторых случаях эта "часть" может быть весьма значительной. Например, при входном напряжении 10 В и выходном 2,5 В падение напряжения на транзисторе составляет 7,5 В, т.е. 75% энергии источника питания тратится на паразитный разогрев транзистора и только 25% выполняют полезную работу.
Еще хуже обстоит дело с регулируемыми источниками питания, когда для большего диапазона изменения выходного напряжения разработчик пытается сделать входное напряжение побольше. В таких случаях при минимальном выходном напряжении КПД источника питания может снижаться до единиц процента.
Этого недостатка лишены импульсные стабилизаторы, способные трансформировать напряжение в ток и наоборот. Поэтому КПД "имульсни-ка", независимо от величины входного (выходного) напряжения, практически постоянен и составляет, в зависимости от схемы и используемых комплектующих, до 80...95%. Благодаря столь высокому КПД облегчается тепловой режим устройства: его компоненты практически не греются, и там, где раньше приходилось использовать громоздкие радиаторы-теплоотводы и воющие вентиляторы, удается обойтись одной маленькой пластинкой или вообще "голым" корпусом транзистора. Уменьшается также потребляемый устройством ток, что очень важно при автономном режиме работы. Проще говоря, при входном напряжении 10 В и выходном 2,5 В потребляемый от источника питания ток будет в 4 раза меньше выходного тока (точнее, в 3,5...3,8 раз, ведь КПД чуть ниже 100%). При этом "лишние" 7,5 В будут трансформироваться в "дополнительный" ток в полном соответствии с законом сохранения энергии. А вот у линейного стабилизатора потребляемый ток всегда чуть больше тока нагрузки.
Чем выше рабочая частота преобразователя, тем меньших размеров могут быть его самые габаритные детали — катушка индуктивности (дроссель или трансформатор) и фильтрующие конденсаторы. Образно говоря, за 1 такт сердечник дросселя или трансформатора может "запасти" небольшой "кусочек" энергии определенной величины, и "размер" этого "кусочка" не зависит от рабочей частоты. То есть просто повысив рабочую частоту, например, в 10 раз, мы сможем за то же время "передать" в нагрузку в 10 раз большую мощность при том же размере катушки и сердечника! Поэтому, если обычный 50-герцовый трансформатор мощностью 270 Вт (ТС-270) весит более 5 кг и размером с 3-литровую банку, то импульсный трансформатор на 300 Вт, работающий на частоте 30 кГц, всего лишь с 3-4 спичечных коробка.
К сожалению, частоту нельзя повышать бесконечно: для большинства недорогих ключевых транзисторов максимальная рабочая частота не превышает 100...300 кГц, а у ферритовых сердечников на частотах выше 30... 100 кГц сильно увеличиваются потери из-за вихревых токов внутри сердечника. Поэтому оптимальная рабочая частота для "импульсника" — 30...50 кГц. Она достаточно высока для того, чтобы человек не слышал писка при его работе (максимальная слышимая частота не превышает 20 кГц), и, в то же время, потери на такой частоте еще достаточно малы.
Однако у импульсных стабилизаторов есть и недостатки. Главный из них кроется в самом принципе действия. Стабилизатор работает в импульсном режиме и на довольно высокой частоте, поэтому он излучает весьма мощные электромагнитные (радиоволны) и электрические (пульсации напряжения) помехи. Избавиться от них очень сложно! В критических случаях проще вообще отказаться от "им-пульсников". Поэтому применять импульсные стабилизаторы целесообразно только там, где нагрузка потребляет значительный ток или мощность (более 10...20 Вт), есть большая разница между входным и выходным напряжениями (минимум в 2...5 раз), а нагрузка сравнительно нечувствительна к помехам и пульсациям (заряжаемый аккумулятор, лампочка, электромотор и др.). В остальных случаях, особенно если нужно работать со "звуком", лучше использовать линейный стабилизатор.
Импульсный стабилизатор состоит из пяти частей:
- схемы управления;
- ключевого транзистора;
- дросселя (катушки индуктивности с ферритовым сердечником);
- фильтрующих конденсаторов;
- обратноходового диода, в качестве которого для небольшого увеличения КПД (и значительного уменьшения нагрева корпуса) можно использовать мощный транзистор.
В зависимости от того, как соединены эти элементы, "импульсник" может повышать, понижать, а также инвертировать полярность напряжения. Также известны трансформаторные импульсные преобразователи, но они менее распространены и используются, в основном, там, где необходима гальваническая развязка (блоки питания и зарядные устройства с питанием от сети) или где нужно значительно (более чем в 3...10 раз) повысить напряжение.
Принцип действия катушки индуктивности аналогичен таковому обычной пружины. Как можно сжать пружину, точно так же можно "закачать" энергию в катушку, причем количество запасаемой энергии зависит от ее индуктивности (количества и диаметра витков, типа сердечника). Практически от этого же (вместо сердечника выступает упругость материала) зависит и "сила" пружины. Пружину можно сжать только до некоторого предела. Далее, по мере сжатия, необходимая для дальнейшего сжатия сила плавно увеличивается. Когда витки пружины "сомкнутся", при дальнейшем сжатии мы будем только зря терять силы (можно повредить пружину или пальцы).
Так же и катушка: при подаче напряжения ее сопротивление плавно уменьшается от бесконечности до минимума, поэтому "закачиваемые" в нее импульсы должны быть относительно короткими, иначе может начаться насыщение, и индуктивное сопротивление катушки уменьшится до активного сопротивления (сопротивления на постоянном токе), которое обычно не превышает долей ома. В результате может перегореть обмотка катушки или ключевой транзистор.
Сразу после снятия воздействия на пружину она стремится распрямиться, нередко с гораздо большей скоростью, чем ее сжимали. Аналогично в катушке после закрывания ключевого транзистора возникает ЭДС самоиндукции, величина которой может быть гораздо больше напряжения питания (на этом свойстве основаны повышающие преобразователи напряжения). Ну, и третье свойство: пружина распрямляется в сторону, про-, тивоположную той, в которую ее сжимали. Соответственно, полярность напряжения на катушке при возникновении ЭДС становится противоположной (на этом свойстве основаны инверторы напряжения).
Катушка индуктивности (дроссель) — единственный прибор, который, скорее всего, потребуется изготавливать самостоятельно. "Им-пульсники" работают на сравнительно низких частотах (десятки...сотни килогерц), поэтому их катушки содержат внутри себя магнитные сердечники. Обычно используются кольца или чашки из феррита. Сердечники из трансформаторной стали не подходят! У такого дросселя будут слишком большие вихревые токи в сердечнике (токи Фуко), он будет сильно греться, а КПД устройства уменьшится на 20...50%.
В большинстве схем импульсных преобразователей катушка работает с постоянным подмагничиванием, т.е. через нее течет не переменный ток, а пульсирующий (с постоянной составляющей). Чтобы не происходило намагничивания сердечника, его нужно собирать с диэлектрическим зазором: проложить между половинками сердечника полоску бумаги или любого другого немагнитного материала толщиной 0,1.. .0,5 мм. От этого индуктивность катушки слегка уменьшится, но и резко уменьшится опасность критического намагничивания. Кстати, поломанные сердечники (феррит очень хрупок и легко ломается) можно совершенно спокойно использовать, склеив кусочки клеем типа "Момент" или просто сильно сжав их и зафиксировав изолентой. Неразрезные сердечники (ферритовые кольца) в "им-пульсниках" лучше не применять. Их нужно разрезать алмазной пилкой (или сделать насечки краем точильного бруска и просто разломать), а потом склеить с небольшим зазором. В большинстве современных низковольтных импульсных стабилизаторов используются полевые транзисторы. Они чуть дороже биполярных, но обладают гораздо меньшим падением напряжения в открытом состоянии. Благодаря этому суммарный КПД устройства с "полевиками" на 5... 15% выше, а нагрев элементов — заметно слабее. Если биполярному транзистору в ключевом режиме уже при токе 1.. .2 А требуется радиатор охлаждения, то полевой в той же схеме способен работать без радиатора с током до 5... 10 А. Однако у "полевиков" гораздо большие паразитные емкости, поэтому при работе на высоких частотах (выше 500... 1000 кГц) или при высоком входном напряжении (выше 300...500 В) "биполярни-ки" становятся более выгодными.
Ключевые транзисторы должны открываться и закрываться с максимально возможной быстротой, поскольку от этого зависит КПД устройства (потери в катушке). Полевые транзисторы по этому параметру "обгоняют" биполярные только при невысоких напряжениях. В высоковольтных схемах выгодней использовать IGBT-модули — комбинацию из маломощного полевого транзистора на входе и мощного биполярного на выходе. Они обладают преимуществами обоих типов транзисторов и почти не имеют недостатков. Однако, они сравнительно дороги.
Аналогичные требования предъявляются и к диоду. Ток обратного хода, протекающий через диод, практически равен прямому току через транзистор, поэтому диод должен быть достаточно мощным и с минимальным падением напряжения. Этим требованиям идеально соответствуют диоды Шотки, если бы не одно "но": они слишком низковольтны. Максимальное рабочее напряжение для большинства диодов Шотки — всего 20...60 В, и лишь у некоторых оно достигает 100...200 В. А так, падение напряжения на них раза в два меньше (0,3...0,5 В против 0,7...1,2 В у обычных диодов с p-n-переходом) и гораздо выше максимальная рабочая частота. Благодаря этому, диоды Шот-ки греются заметно слабее. Для работы с большими напряжениями можно использовать только быстрые (Fast, F) или сверхбыстрые (Ultra Fast, UF) диоды. Обычные низковольтные выпрямительные диоды на таких частотах "захлебываются" и очень сильно греются, естественно, с потерями в КПД. Конденсаторы на выходе таких схем можно использовать только из серий с небольшим внутренним сопротивлением (более известным как "эффективное последовательное сопротивление" — ESR), так как они заряжаются и работают с мощными импульсами. Емкость конденсатора менее критична: Low-ESR конденсатора емкостью 330 мкф при работе на частоте в десятки килогерц вполне достаточно, и он более эффективен, чем "обычный" конденсатор с емкостью раз в 10 большей. Однако для обеспечения значительных пиковых токов нагрузки (например, при работе на УМЗЧ) параллельно с таким конденсатором все-таки лучше включить "обычный" емкостью пару тысяч микрофарад. В любом случае, если конденсаторы при работе на номинальную нагрузку нагреваются более чем на 10...20°С, это однозначно свидетельствует, что у них слишком большое ESR, и они элементарно "не справляются". Обычно чем больше рабочее напряжение конденсатора, тем ниже его ESR, поэтому в импульсных преобразователях желательно использовать конденсаторы, как минимум, с двукратным запасом по напряжению. При параллельном включении нескольких конденсаторов (можно разной емкости) их суммарное ESR снижается. Во многих схемах параллельно с электролитическими конденсаторами рекомендуется включать керамические емкостью до единиц микрофарад, одноко в мощных "импульсниках" эффект от их использования можно заметить разве что по приборам.
Во всех "импульсникахя обязательны фильтрующие конденсаторы по шинам питания сравнительно большой емкости (минимум 1000 мкф на 1 А входного тока) и с низким внутренним сопротивлением- На плате этот конденсатор должен стоять как можно ближе к ключевым элементам и соединяться с ними дорожками максимальной ширины. Его также можно составлять из нескольких параллельно  соединенных конденсаторов. Рабочее напряжение конденсатора — минимум в 1,5 раза больше максимального входного напряжения.

Схему управления современных "импульсников" собирают на базе специализированных микросхем. Они сравнительно дешевы, обладают великолепными характеристиками и практически не требуют подключения внешних элементов и кропотливой настройки. Для управления полевыми транзисторами необходимы микросхемы с мощными выходами: для достижения максимального КПД транзистор должен быстро открываться (за время порядка сотен наносекунд), а у полевых транзисторов емкость затвора очень велика. Поэтому микросхема-драйвер полевого транзистора должна иметь попумос-товой выход, способный обеспечить ток 0,2.. .2,0 А. Чем выше рабочая частота, тем большим должен быть выходной ток. Этот ток потребляется транзистором кратковременно (пока не зарядится или разрядится емкость затвора), а все остальное время ток не потребляется. Поэтому более мощный драйвер не приведет к увеличению энергопотребления, а наоборот, КПД схемы только возрастет.

Схема повышающего преобразователя напряжения показана на рис.1 а. Во время рабочего хода, когда транзистор открыт, катушка запасает энергию. Ее можно представить как батарейку (конденсатор), положительный полюс которой — вверху схемы (рис.1 б). Диод при этом закрыт, постоянное напряжение на выходе поддерживается конденсатором. После запирания транзистора полярность напряжения на выводах катушки из-за ЭДС самоиндукции меняется на противоположную, она суммируется с напряжением питания и через открывшийся диод подзаряжает конденсатор (рис.1 в). Таким способом, в принципе, можно получить сколь угодно большое напряжение, но обычно оно не превышает несколько сотен вольт из-за потерь как в самой катушке, так и в других элементах схемы.
При сборке такой схемы нужно уделить особое внимание надежности элементов и монтажа. Транзистор, конденсатор и диод в этой схеме должны быть рассчитаны на максимальное выходное напряжение плюс 10...20 В запаса.

Инвертор напряжения работает по аналогичному принципу (рис.2а). Пока транзистор открыт (рис.2б), катушка накапливает энергию., а диод закрыт обратным напряжением. После запирания транзистора на верхнем по схеме выводе катушки появляется отрицательный потенциал, и она через диод подзаряжает отрицательным напряжением конденсатор (рис.2в).
Конденсатор в этой схеме должен быть рассчитан на максимальное выходное напряжение (плюс запас), транзистор и диод — на выходное плюс напряжение питания.

А.КОЛДУНОВ, г.Гродно. E-mail: nixto@telegraf.by

Продолжение >>>>>