Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока

Все схемы линейных стабилизаторов напряжения работают одинаково: последовательно нестабилизированному напряжению постоянного тока включается линейный управляющий элемент (проходной транзистор) с обратной связью. Обратная связь поддерживает на постоянном уровне выходное напряжение (или, может быть, постоянный ток). Выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения и на управляющем элементе рассеивается некоторая мощность. Точнее, среднее значение Iвых (U вхUвых). Небольшая вариация этой темы ‑ параллельный стабилизатор, в котором управляющий элемент включается не последовательно с нагрузкой, а между выходом и землей. Пример – простой резистор плюс стабилитрон.
Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока

Существует другой, принципиально отличный способ генерации стабилизированного напряжения постоянного тока, взгляните на рисунок

Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока
Линейный (последовательный) стабилизатор
повышающий импульсный стабилизатор
Повышающий импульсный стабилизатор

В таком импульсном стабилизаторе транзистор, работающий в режиме насыщенного ключа, периодически на короткое время прикладывает к катушке индуктивности полное нестабилизированное напряжение. Ток катушки появляется на каждом импульсе, запасая энергию 1/2LI2 в ее магнитном поле. Запасенная энергия передается на конденсатор выходного сглаживающего фильтра. Конденсатор поддерживает напряжение и ток в нагрузке на выходе между импульсами заряда. Как и в линейных стабилизаторах, выход по обратной связи сравнивается с эталонным напряжением, но в импульсных стабилизаторах управление выходом осуществляется за счет изменения длительности импульсов генератора или частоты переключения, а не за счет линейного управления базой или затвором.

Импульсные стабилизаторы обладают необычными свойствами, которые делают их очень популярными. Так как управляющий элемент либо выключен, либо насыщен, рассеивается очень маленькая мощность. Таким образом, импульсные стабилизаторы чрезвычайно эффективны даже при большом падении от входа до выхода. «Импульсники» (слэнг для «импульсные источники питания») могут генерировать выходное напряжение, превышающее нестабилизированное входное напряжение. Также позволяют довольно просто генерировать напряжение противоположной полярности! Наконец, импульсники можно сделать без цепи постоянного тока между входом и выходом. Это означает, что они могут работать прямо от шины питания с выпрямленным напряжением без сетевого трансформатора! В результате получается очень маленький, легкий и эффективный источник постоянного тока. По этим причинам импульсные источники питания используются почти во всех компьютерах.

Импульсные источники питания имеют и свои проблемы. Выход по постоянному току содержит некоторый «шум» переключения, который может попадать в шину питания. Как правило, у них скверная репутация в отношении надежности – при катастрофическом отказе иногда возникают зрелищные пиротехнические эффекты. Однако большинство этих проблем решаются, и в настоящее время импульсные источники прочно обосновались в электронных приборах и компьютерах.

 Сначала рассмотрим базовый импульсный стабилизатор, работающий от традиционного нестабилизированного источника постоянного тока. Существуют три схемы, используемые для
а) понижения (выходное напряжение меньше входного),
б) повышения (выходное напряжение больше входного)
в) инвертирования (полярность выходного напряжения противоположна полярности входного) напряжения.

Понижающий стабилизатор

На рисунке показана основная понижающая импульсная схема, обратная связь для простоты не показана.

Понижающий импульсный источник питания
Понижающий импульсный источник питания

Если МОП‑ключ открыт, то к индуктивности прикладывается напряжение Uвых–Uвх, которое вызывает появление линейно увеличивающегося тока (dI/dt = U/L) в индуктивности. (Этот ток течет, конечно, к нагрузке и конденсатору). Когда ключ закрывается, ток индуктивности продолжает протекать в том же направлении теперь уже через ограничивающий диод. Индуктивности не могут сразу же изменить свой ток, как это следует из последнего уравнения. Выходной конденсатор работает как энергетический «маховик», сглаживая неизбежно возникающие пилообразные пульсации (чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации). Ток индуктивности выделяет на ней напряжение Uвых –0,6U, при этом ток начинает линейно убывать. Соответствующие формы тока и напряжения показаны на рисунке

Формы тока и напряжения.Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока

Для того чтобы завершить схему и придать ей вид стабилизатора, необходимо добавить обратную связь, которая будет управлять либо длительностью импульсов (при постоянной частоте повторения), либо частотой повторения (при постоянной длительности импульсов). Эта обратная связь будет по выходу усилителя ошибки, сравнивающего выходное напряжение с эталонным.

Для примера, на рисунке ниже показан слаботочный стабилизатор +5 В. В данной микросхеме предлагается на выбор либо фиксированный выход +5 В (без внешнего делителя), либо регулируемый положительный выход с внешним резистивным делителем. Почти все компоненты стабилизатора умещаются в корпусе мини‑DIP. Генератор работает на постоянной частоте 65 кГц, причем усилитель ошибки либо подключает, либо отключает импульсы управления затвором в соответствии с выходным напряжением. КПД схемы составляет примерно 85 % и почти не зависит от входного напряжения.

Маломощный импульсный стабилизатор на +5 В.
Маломощный импульсный стабилизатор на +5 В.

Повышающий и инвертирующий стабилизатор

За исключением высокого КПД понижающий импульсный стабилизатор, рассмотренный выше, не имеет существенных преимуществ перед линейным стабилизатором (только существенные недостатки – число компонент, шум переключения). Однако импульсные источники становятся по‑настоящему весьма притягательными, когда необходимо, чтобы выходное напряжение было больше входного нестабилизированного или когда полярность выходного напряжения должна быть обратной полярности входного нестабилизированного. На рисунке показаны основные схемы повышения и инвертирования напряжения.
Рассмотрим повышающую схему.
повышающая схема. Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока
Повышающая схема
Когда ключ замкнут (точка x вблизи земли), ток в индуктивности возрастает.
Когда ключ разомкнут, напряжение в точке x  быстро возрастает, поскольку индуктивность пытается сохранить величину тока. Диод открывается и индуктивность «накачивает» ток в конденсатор.
Выходное напряжение может быть много больше входного.
Инвертирующая схема.
Инвертирующая схема. Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока
Инвертирующая схема
Когда ключ замкнут, от точки x  к земле протекает линейно возрастающий ток. Для того чтобы сохранить ток при размыкании ключа, индуктивность «тянет» точку в отрицательную область настолько, насколько это необходимо для сохранения тока. Однако ток теперь втекает в индуктивность через сглаживающий конденсатор. Выход, таким образом, будет отрицательным, а его среднее значение будет больше или меньше величины входного напряжения (что определяется обратной связью).
Другими словами, инвертирующий стабилизатор может быть как повышающим, так и понижающим.

На схеме ниже показано, каким образом можно использовать маломощные импульсные стабилизаторы для получения напряжений +15 В от одного автомобильного аккумулятора +12 В. С линейными стабилизаторами такой прием не пройдет.

Двухполярный импульсный источник питания
Двухполярный импульсный источник питания

Показанные на рисунке внешние компоненты были выбраны в соответствии со спецификациями изготовителя. Они не очень критичны, но, как это всегда бывает в электронных схемах, существуют компромиссы. Например, чем больше величина индуктивности, тем меньше пиковые токи и выше КПД, но за счет максимально допустимого выходного тока. До тех пор пока входное напряжение не превышает выходное, схема менее чувствительна к входному напряжению. Схема будет работать и при +2 В, но максимальный выходной ток существенно понизится.

Существует и другой путь для достижения тех же целей — «переключаемые конденсаторы». Основная идея заключается в том, чтобы использовать МОП ключи для заряда конденсатора от входа постоянного тока. Затем, за счет изменения состояния ключей подключения заряженного конденсатора, менять назначение:
— последовательно к другому конденсатору (повышение напряжения)
— обратной полярностью к выходу (инвертирование).
Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами обладают определенными преимуществами (нет индуктивностей) и некоторыми недостатками (низкая мощность, малые пределы регулирования, ограниченное напряжение).

Общие замечания относительно импульсных стабилизаторов.

Способность импульсных источников повышать и инвертировать напряжение делает их весьма привлекательными для создания, скажем, слаботочных источников питания на +12 В прямо на полностью цифровой во всех других отношениях плате с питанием +5 В. Такие биполярные источники часто необходимы для питания «последовательных портов» или линейных схем на операционных усилителях или схем с ЦАП и АЦП. Еще одно полезное применение повышающих импульсных источников – это питание дисплеев, для работы которых необходимо относительно высокое напряжение, например дисплеев, использующих люминесцентную или плазменную технологии. В тех применениях, где входное напряжение постоянного тока (обычно +5 В) уже стабилизировано, мы часто говорим «преобразователь постоянного тока», а не «импульсный стабилизатор», хотя в действительности это одно и то же. Наконец, в оборудовании на батарейном питании, как правило, хочется получить высокий КПД во всем диапазоне напряжений батареи. Например, 9 вольтовый «транзисторный» щелочной аккумулятор начинает свою жизнь примерно с 9,5 В и постепенно угасает к концу своей полезной жизни до 6 В. Маломощный понижающий стабилизатор на +5 В сохраняет свою высокую эффективность, увеличивая ток, на протяжении всего срока службы батареи.

Следует отметить, что индуктивность и конденсатор в импульсном стабилизаторе не работают как LC‑фильтр. Для простого понижающего стабилизатора еще могут быть какие‑то сомнения, но, очевидно, что схема, которая инвертирует уровень постоянного тока, едва ли является фильтром! Катушка индуктивности представляет собой запасающее энергию устройство без потерь (запасенная энергия равна 1/2LI2), способное преобразовывать импеданс для того, чтобы сохранить энергию. Это точное определение с физической точки зрения, в котором отражен тот факт, что энергия заключена в магнитном поле. Хотя мы обычно привыкли рассматривать конденсатор как устройство, хранящее энергию (запасенная энергия равна 1/2CU 2), которое выполняет свою функцию в импульсных источниках питания, как и в традиционных последовательных стабилизаторах.

Немного терминологии. Иногда встречаются словосочетания «преобразователь напряжения с ШИМ» и «стабилизатор с токовым режимом». Они относятся к конкретному способу изменения импульсных колебаний в соответствии с сигналом обратной связи (сигналом ошибки).
В частности, ШИМ означает широтно‑импульсную модуляцию, в которой сигнал ошибки используется для управления длительностью импульса (при фиксированной частоте).
В то время как при управлении в токовом режиме сигнал ошибки используется для управления пиковым током индуктивности (определяется с помощью резистора) посредством изменения интервала между импульсами. Стабилизаторы в токовом режиме обладают существенными достоинствами и становятся все более популярными в связи с тем, что теперь выпускаются хорошие интегральные схемы контроллеров в токовом режиме.

При рассмотрении любого импульсного источника не забывайте о помехах, создаваемых процессом переключения. Они могут быть трех видов:
а) пульсации на выходе на частоте переключения, обычно порядка 10 100 мВ (размах);
б) пульсации также на частоте переключения, которые накладываются на напряжение входного источника;
в) помехи излучения на частоте переключения и ее гармониках из за импульсных токов в индуктивности и проводниках.
Можно оказаться в весьма трудной ситуации при использовании импульсных источников в схемах с сигналами низкого уровня (скажем, 100 мкА и менее). Хотя тщательное экранирование и фильтрация могут решить все эти проблемы, но лучше, по видимому, в подобных случаях с самого начала использовать линейные стабилизаторы.

Импульсные источники с питанием от сети

Импульсные источники обладают высоким КПД, даже если выходное напряжение сильно отличается от входного. Это может помочь рассматривать индуктивность как «преобразователь импеданса», поскольку средний постоянный выходной ток может быть больше (при понижении) или меньше (при повышении), чем средний постоянный входной ток. Это полностью противоположно тому, что происходит в линейных последовательных стабилизаторах, где средние значения входного и выходного токов всегда равны (если не учитывать, конечно, тока покоя схемы стабилизатора).
В связи с этим появляется превосходная идея: можно исключить тяжелый понижающий сетевой трансформатор, если стабилизатор подключить прямо к выпрямленному и отфильтрованному напряжению переменного тока.

Два промежуточных замечания:
а) входное напряжение постоянного тока будет равно примерно 310 В (при сети переменного тока 220 В), т. е. схема будет довольно опасна для того, чтобы в ней копаться!
б) отсутствие трансформатора означает, что вход постоянного тока не будет изолирован от сети. Следовательно, импульсную схему следует модифицировать для того, чтобы обеспечить изоляцию.
Обычный способ изолирования импульсной схемы заключается в намотке вторичной обмотки на энергозапасающую индуктивность и использовании изолирующего элемента (либо трансформатора, либо оптоэлектронной связи) для обеспечения обратной связи на импульсный генератор. Упрощенная схема, показана ниже

Импульсный источник с питанием от сети переменного тока
Импульсный источник с питанием от сети переменного тока

Заметьте, что генератор питается от высоковольтного нестабилизированного постоянного напряжения, в то время как схемы управления обратной связью (усилитель ошибки, эталонный источник) питаются от стабилизированного выходного напряжения. Иногда для питания управляющих элементов используется вспомогательный слаботочный нестабилизированный источник (со своим собственным низковольтным трансформатором на 50 Гц). Квадратик, обозначенный «гальваническая развязка», часто представляет собой небольшой импульсный трансформатор, хотя может использоваться и оптическая изоляция.

Может показаться, что преимущества безтрансформаторного нестабилизированного питания сводятся к нулю, в связи с необходимостью иметь, по крайней мере, два других трансформатора! Это не так. Размеры трансформатора определяются размерами сердечника, которые резко снижаются на высоких частотах. В результате импульсные источники с питанием от сети намного меньше и легче, чем аналогичные линейные источники. Кроме того, благодаря своему высокому КПД они работают в более благоприятном тепловом режиме.

Общие замечания относительно импульсных источников с питанием от сети

1. Импульсные источники с питанием от сети – это превосходные мощные источники питания. Благодаря высокому КПД при работе они не нагреваются, а отсутствие трансформатора низкой частоты делает их более легкими и меньшими по размерам по сравнению с эквивалентными линейными источниками. По этим причинам для обеспечения питания компьютеров, даже настольных персональных компьютеров, используют исключительно импульсные источники с питанием от сети. Они также находят применение и в других портативных приборах, даже в таких чувствительных к помехам устройствах, как осциллографы.

2. Импульсные источники шумят! Выходные напряжения содержат десятки милливольт пульсаций переключения, они подбрасывают в сеть «мусор», их вопли можно даже услышать! Одно из средств борьбы против пульсаций на выходе, если они доставляют беспокойство, – это добавить внешний сильноточный LC фильтр нижних частот. Другой способ добавить линейный постстабилизатор с низким падением. Некоторые преобразователи постоянного тока содержат эти средства, кроме того, они полностью экранированы и имеют усиленную фильтрацию входа.

3. Выпускаются и получили широкое распространение импульсные источники на несколько выходов. Однако отдельные выходы формируются с помощью дополнительных обмоток на общем трансформаторе. Как правило, обратная связь снимается с выхода с наибольшим током (обычно с выхода +5 В), а это означает, что остальные выходы стабилизируются не очень хорошо. В спецификации указывается обычно «кросс стабилизация», которая показывает, например, насколько меняется напряжение на выходе +12 В при изменении нагрузки на выходе +5 В от 75 % полной нагрузки до 50 % или 100 % полной нагрузки. Типовое значение кросс стабилизации составляет 5 %.
В некоторых многовыходных импульсных источниках добиваются превосходной стабилизации. При этом используются на вспомогательных выходах линейные пост стабилизаторы, но это исключение.

4. Импульсные источники с питанием от сети могут выдвигать требование по минимальному току нагрузки. Если ток нагрузки может упасть ниже минимального, то вы должны добавить некоторую резистивную нагрузку, в противном случае возможно сильное повышение напряжения или появление колебаний. Например, упомянутый выше импульсный источник +5 В, 26 А имеет минимальный ток нагрузки 1,3 А.

5. Будьте внимательны при работе от импульсного источника с питанием от сети. Многие компоненты находятся под напряжением сети и несут смертельную опасность. Нельзя подключать заземление щупа осциллографа к схеме.

6. Когда вы впервые включаете питание, сеть переменного тока обнаруживает большой незаряженный электролитический конденсатор фильтра (разумеется, через диодный мост). Последующий «пусковой» ток может оказаться просто огромным. Коммерческие «импульсники» для того, чтобы удержать пусковой ток в «цивилизованных» границах, используют различные приемы «мягкого пуска»:
— первым из таких приемов является включение последовательно с входом резистора с отрицательным ТКС (низкоомного термистора);
— другой способ – быстро отключить небольшой (10 Ом) последовательный резистор после включения источника.

7. Импульсные источники содержат обычно схему отключения при перенапряжениях. Часто это простая схема на стабилитроне, которая останавливает генератор, если постоянное напряжение на выходе превышает определенную величину. Можно придумать такие виды отказов, при которых такие «шунты» не будут ничего шунтировать. Для максимальной безопасности вы, возможно, захотите использовать автономные внешние шунтирующие схемы на тиристорах.

8. Импульсные источники с питанием от сети, на самом деле, сложны и хитроумны с точки зрения надежности. Необходимы специальные индуктивности и трансформаторы. Лучше отказаться от их проектирования и покупать то, что вам нужно! В конце концов, зачем создавать то, что можно купить?

Несколько советов

1. Для цифровых систем обычно требуется напряжение +5 В и часто большой ток (10 А и более).
Совет: а) используйте импульсный источник с питанием от сети; б) купите его (если требуется, добавьте фильтр).
2. Для аналоговых схем с сигналами низкого уровня (слабосигнальные усилители, сигналы менее 100 мкВ и т. п.).
Совет: используйте линейные стабилизаторы. Импульсные слишком шумны, они испортят вам жизнь. Исключение: для некоторых схем с батарейным питанием, возможно, лучше использовать маломощный импульсный преобразователь постоянного тока.
3. Что то большой мощности.
Совет: используйте импульсный источник с питанием от сети. Он меньше, легче и холоднее.
4. Высоковольтная, маломощная аппаратура (фотоэлектронные умножители, лампы вспышки, электронно оптические преобразователи, плазменные дисплеи).
Совет: используйте маломощный повышающий преобразователь.

В общем случае, маломощные преобразователи постоянного тока легко спроектировать, потребуется всего несколько компонентов. Не стесняйтесь делать их собственными руками. В противоположность этому, импульсные источники большой мощности (обычно с питанием от сети) сложны, хитроумны и чрезвычайно беспокойны. Если вам необходимо, спроектировать свой собственный источник, будьте осторожны, проверьте очень тщательно свою схему. А лучше, подавите самолюбие и купите самый лучший импульсный источник, какой вы только сможете найти.