Стабилизатор тока импульсный – Импульсный стабилизатор напряжения — это… Что такое Импульсный стабилизатор напряжения?

Импульсный стабилизатор тока

Содержание:
  1. Общее устройство импульсного стабилизатора
  2. Основные схемы импульсных преобразователей
  3. Импульсный конвертер как стабилизатор тока
  4. Простой импульсный стабилизатор напряжения

Довольно часто возникают ситуации, когда характеристики электрического тока в сети не позволяют нормально эксплуатировать различные приборы и оборудование. Для решения этой проблемы используется импульсный стабилизатор тока, конструктивно напоминающий стабилизирующее устройство напряжения, работающего на основе импульсного преобразователя. Основной функцией импульсного стабилизатора является контроль над состоянием тока через нагрузку. В случае снижения тока в нагрузке подкачивается дополнительная мощность, а при повышении тока – мощность понижается.


Устройство импульсного стабилизатора

Схемы импульсных преобразователей, получившие наиболее широкое распространение, оборудуются реактивным элементом – дросселем, к которому энергия подкачивается определенными порциями с помощью специального ключа, еще называемого коммутатором. Подкачка осуществляется от входной цепи и далее поступает на нагрузку. В результате, такой режим работы дает существенную экономию электроэнергии, особенно, если стабилизатор работает на полевом транзисторе.

Однако, несмотря на явные преимущества, у импульсных преобразователей имеется ряд недостатков, для преодоления которых используются различные технические и конструктивные решения. В первую очередь это связано с электромагнитными и другими помехами, возникающими в процессе работы импульсного конвертера, а также сложной конструкцией устройства. Во время эксплуатации невозможно достичь максимального эффекта, поскольку происходит нагрев и энергия затрачивается впустую. Немаловажное значение имеет высокая стоимость импульсных устройств. Тем не менее, для многих схем экономия электроэнергии выступает на передний план, поэтому негативное влияние недостатков в большинстве случаев удается максимально снизить.


Схемы импульсных преобразователей

Основой каждого стабилизатора тока данного типа является импульсный преобразователь. Кроме того, в схеме предусмотрен ключ, находящийся только в двух позициях – выключенной и включенной. В состоянии «выключено» ток не проводится, поэтому выделение мощности отсутствует. В положении «включено» ключ начинает проводить ток, обладая при этом, незначительным сопротивлением, стремящимся к нулю. Соответственно выделение мощности происходит со значением также близком к нулю.

Порционная передача энергии с помощью ключа от входа к выходу осуществляется без каких-либо потерь мощности. Однако по сравнению с линейным источником питания, ток и напряжение на выходе такого ключа будут импульсными, то есть нестабильными. Для стабилизации этих параметров используются фильтры, хорошо зарекомендовавшие себя для светодиодов.

Лучше всего зарекомендовали себя фильтры, обладающие свойствами индуктивности, что позволяет избежать потерь мощности. Основное полезное свойство индуктивности заключается в постепенном возрастании тока, проходящего через нее. Происходит преобразование электрической энергии в магнитную и ее накапливание в сердечнике. После того как ключ оказывается выключенным, ток в индуктивности остается прежним, а напряжение изменяет полярность. В результате, зарядка выходного конденсатора продолжается, а сама индуктивность превращается в источник тока. Данная индуктивность, выполняющая передачу мощности, и является дросселем. В правильно работающем устройстве ток в дросселе присутствует постоянно, то есть его работа происходит в так называемом неразрывном режиме.

Если происходит снижение нагрузочного тока, наступает рост напряжения в преобразователе. Снижается энергия, накопленная в дросселе, и устройство начинает работать в разрывном режиме при прерывистом токе. В результате, наблюдается резкий рост магнитных помех, создаваемых устройством. Чтобы избежать помех и намагничивания сердечника, используется особая конструкция дросселя, в которой присутствуют магнитные материалы.

Одним из элементов импульсного стабилизатора тока является устройство для регулировки работы ключа в соответствии с подключенной нагрузкой. Регистрация напряжения на нагрузке производится стабилизатором, изменяющим работу ключа. С помощью стабилизатора тока выполняется измерение тока, проходящего через нагрузку. Обычно для этих целей используется небольшое измерительное сопротивление, включаемого последовательно с нагрузкой.

Включение ключа преобразователя производится с различной скважностью, в зависимости от сигнала регулятора. Наибольшее распространение получил способ широтно-импульсной модуляции, а также работа в токовом режиме. В первом случае применяется управление длительностью импульсов с сохранением частоты следования. Вторая схема импульсного стабилизатора предполагает измерение пикового тока в дросселе, с одновременным интервалом между импульсами.

На основе импульсного устройства создано несколько видов преобразователей:

  • Понижающий преобразователь. Получил свое название в связи с тем, что напряжение на нагрузке всегда меньше напряжения источника питания. Течение тока в дросселе постоянно происходит в одном направлении, поэтому требования к конденсатору, установленному на выходе, несколько снижены. В некоторых схемах дроссель и выходной конденсатор используются в качестве фильтра. Существуют схемы, где конденсатор вообще отсутствует, например, в стабилизаторах для светодиодов.
  • Повышающий преобразователь. Данная микросхема импульсного стабилизатора тока также содержит дроссель, постоянно подключенный к выходу источника питания. Когда ключ находится в разомкнутом положении, питание на нагрузку поступает через диод и дроссель. При замыкании ключа в дросселе происходит накопление энергии и при размыкании ключа его ЭДС, возникающая на выводах, добавляется к ЭДС источника питания. Это приводит к возрастанию напряжения на нагрузке. В данной схеме, в отличие от предыдущей, для зарядки выходного конденсатора используется прерывистый ток. Поэтому параметры выходного конденсатора должны быть большими, в некоторых случаях может потребоваться установка дополнительного фильтра.
  • Инвертирующий преобразователь. Работает по такой же схеме, что и повышающее устройство.
  • Прямоходовой и обратноходовой преобразователи. Нередко схемы блоков питания содержат такой элемент как трансформатор. С его помощью обеспечивается гальваническая развязка вторичной цепи от источника питания. Благодаря таким схемам эффективность работы устройств достигает 98% и выше. Передача энергии в прямоходовом преобразователе осуществляется от источника в нагрузку при включенном состоянии ключа. Фактически он является модифицированным понижающим преобразователем. Энергия в обратноходовом преобразователе происходит от источника к нагрузке в выключенном состоянии.

Импульсный конвертер как стабилизатор тока

Многие импульсные блоки питания оборудованы системой стабилизации выходного напряжения. Подобные схемы, особенно повышенной мощности, помимо обратной связи с выходным напряжением, включают в свой состав систему контроля тока ключевого элемента.

В этом качестве может использоваться резистор с незначительным сопротивлением. Наличие такого контроля обеспечивает работу дросселя в необходимом режиме. Подобные контрольные элементы используются в простейших стабилизаторах тока, сделанных своими руками, и эффективно стабилизируют выходной ток.


ШИМ стабилизаторы постоянного напряжения и тока

В статье описываются различные варианты построения AC/DC преобразователей со стабилизацией выходного напряжения или выходного тока предназначенные для работы как на активную, так и на индуктивную нагрузку.

Широтно-импульсная модуляция (PWM, Pulse-Width Modu­lation) — это распространенный способ управления мощнос­тью, подводимой к нагрузке, методом изменения ширины (дли­тельности) импульсов или паузы между импульсами при по­стоянной или изменяющейся частоте. ШИМ широко приме­няется в промышленности и в быту для регулировки и ста­билизации напряжения или тока преобразователей, блоков питания, зарядных устройств, сварочных аппаратов и т.п.

На рис.1 отображены различные варианты ШИМ. Отно­шение периода следования электрических импульсов к их длительности называется скважностью, а для ШИМ-регуляторов — это величина обратная мощности выделяемой в нагрузке. Так для уменьшения тока нагрузки мы должны уве­личивать скважность регулируемого тока и наоборот.

Рис. 1

Вниманию читателей предлагается схема устройства, на основе таймера NE555 (отечественный аналог 1006ВИ1) Это — источник регулируемого стабильного напряжения или тока для изолированных от земли мощных потребителей посто­янного тока, таких как, например, роторы мощных синхрон­ных машин или двигатели постоянного тока (ДПТ). На рис.2 показан стабилизатор напряжения, на рис.3 — стабилиза­тор тока. Максимальная величина тока нагрузки (в десят­ки или даже сотни ампер) определяется способностью се­тевого выпрямительного моста VD1, силового ключа VТ1 и габаритами радиатора охлаждения, на котором они установ­лены. а при индуктивной нагрузке — еще и параметрами диода VD7, ток через который, в этом случае, соизмерим с током нагрузки.

Рис. 2

Работает стабилизатор следующим образом: при дости­жении параметра на соответствующем датчике напряжения или тока (R14 на рис.3), на резисторе RV1, а, следователь­но, и на оптроне VU1 формируется сигнал обратной связи, который блокирует работу задающего генератора DA1 и, та­ким образом, запирает силовой ключ VT1. Выходной параметр, вследствие разряда емкости и/или индуктивности, начинает снижаться и затем работа генератора возобновляется.

Рис. 3

Из-за высокого быстродействия микросхемы, частота ком­мутирования режимов работа-блокировка получается значи­тельной и может даже превышать частоту генерации ШИМ (рис.4) и, как следствие, коэффициент стабилизации схемы будет довольно высоким.

Рис. 4

Рассмотренный выше автоматический способ управления таймером NE555 по входу Е (выв.4) не является единствен­но возможным. Управляющий сигнал через оптрон (или ка­ким-либо другим методом) можно подавать на вход R (выв.6), т.е. на частотозадающий конденсатор С11, при этом можно регулировать скважность в достаточно широких пределах, или на вход Uн (выв.5). При этом пределы регулирования будут несколько меньше, но можно добиться так называемого эф­фекта перерегулирования. В этом случае при уменьшении се­тевого напряжения или при увеличении тока нагрузки, выход­ное напряжение не уменьшается, а увеличивается и наоборот.

О деталях преобразователя

В роли (рис.2 и рис.3) лучше всего использовать мощный IGBT или MOSFEET транзистор с номинальным то­ком не ниже максимального тока нагрузки.

Рис. 5

Например, для построения возбудителя мощного синхрон­ного двигателя можно использовать IGBT транзистор, изоб­раженный на рис.5 – MG300Q1US11 (номинальный ток 300 А и напряжение более 1000 В). В практике ремонта оборудо­вания у электриков бывают случаи выхода со строя силовых IGBT-модулей, таких, например, как SKM150GB128D (рис.6), M150DSA120  или CM200DY-24NF (рис.7). При этом, как правило, один из двух транзисторов модуля остается ис­правным. Для нашего случая это и «спасение» ценной дета­ли, и защита бюджета от немалых расходов при приобрете­нии очень дорогих компонентов.

Рис. 6

Рис. 7

Цепочка R15, С15 (рис.2 и рис.3) — это снаббер, т.е. дем­пфирующее устройство, не допускающее опасного перенапря­жения при закрывании ключа. На схемах рис.8 и рис.9 снаб­бер дополнен диодом VD11, заметно уменьшающим тепловые потери на резисторе снаббера.

Рис. 8

Рис. 9

Диод VD7 (рис.2, рис.3) необходим для работы с индук­тивной нагрузкой. Для токов в десятки и сотни ампер можно применить быстрый спаренный диод MURP20040CT фирмы Motorola (200 А, 400 В). Для меньших токов можно использо­вать менее мощные диоды, но они должны быть «быстрыми» — серии SF, UF. HER, FR (в порядке ухудшения быстродействия). Если нагрузка не индуктивная: нагреватели, гальванические ванны и др., то этот диод можно не устанавливать.

Рис. 10

Фирма Semikron выпускает, как бы специально для на­шего случая, очень интересный IGBT-модуль SKM400GAL128D (рис.10), в состав которого входит, кроме обычного парал­лельного транзистору диода, еще один силовой диод, «вмес­то» «верхнего» транзистора. Использовать подобный модуль можно согласно схеме на рис.11. Кстати, на этой схеме по­казано, что питать устройство можно не только фазным на­пряжением сети, но и линейным, что позволяет получать ста­бильное регулируемое постоянное напряжение на выходе до 550 В и более.

Рис. 11

Получить повышенное напряжение можно и от однофаз­ной сети, если воспользоваться удвоителем напряжения. Для этого (см. рис.11) нужно заменить один полумост (VD4) двумя оксидными конденсаторами, включенными последователь­но вместо диодов моста (аналогично включены С2, С3 на том же рисунке). В этом случае выпрямленное напряжение составит 640 В, но мощность всей установки будет ограни­чена емкостью этих конденсаторов.

В роли R1, ограничителя зарядного тока конденсаторов сетевого фильтра, должен быть резистор, способ­ный кратковременно выдержать сетевое напряже­ние без разрушения. Следует только заметить, что чем больше сопротивление этого резистора, тем меньше может быть его мощность, но тем доль­ше будут заряжаться конденсаторы С2, С3 до го­товности к работе. Ограничителем зарядного то­ка может быть лампа накаливания на напряже­ние 230 В, а лучше — две (рис.3). Конденсаторы С21, С22 вместе с диодным мостом VD12 на рис.12 служат для замены «энергоемкого» резистора в цепи питания схемы управления (R2 на рис.2), они должны быть рассчитаны на напряжение не ниже 350 В. Их емкость определяет ток через стабилитрон VD2 и, следовательно, степень его нагрева и каче­ства стабилизации. При большем токе стабильность напря­жения питания микросхемы улучшается, но возникает необ­ходимость использования радиатора для стабилитрона.

Рис. 12

Улучшить параметры стабилизации без установки радиа­тора и защитить схему от наводимых помех, поможет вто­рая ступень стабилизации на стабилитроне VD3 (рис.11). Будет значительно лучше, если использовать интегральный стабилизатор DA1 (рис.12).

Но самым радикальным способом улучшения стабильно­сти работы устройства будет питание схемы управления от отдельного источника питания (AC/DC преобразователь на рис.3). В качестве последнего можно использовать заряд­ное устройство от старой «мобилки» с выходным напряже­нием 8.. 12 В. Автор встречал китайские «зарядки» с напря­жением более 16 В — такие тоже подходят. Гальваническую развязку обеспечивает трансформатор в зарядном устрой­стве. Дополнительная стабилизация напряжения источника, в этом случае, тоже не помешает. Важным условием пра­вильной работы схемы является последовательность вклю­чения источника питания микросхемы — только после заряда накопительных конденсаторов С2, С3, что обеспечивает дополнительная контакт­ная группа К1.2 контактора К1 (рис.2).

Назначение стабилитронов VD9, VD10 в измерительной цепи — ограничить «сни­зу» регулировку выходного напряжения. Дело в том, что трудно представить себе прикладное назначение подобного устрой­ства с регулировкой от нуля до 300 В. да­же лабораторные источники питания с та­кими возможностями вряд ли имеют смысл. Минимальное выходное напряжение источ­ника примерно соответствует напряжению стабилизации VD9 (VD10). Так если, на­пример, требуется напряжение в пределах 200…300 В, то в роли VD11 необходима сборка из трех стабилитронов на 65…70 В каждый, напри­мер BZX55C68. Д817Б или двух на 100В (BZX55C100, Д817Г). С высоковольтными стабилитронами нужно быть осторож­ным — при большом токе через них стабилитроны сильно гре­ются, а малого тока через них может не хватить для нор­мальной работы светодиода оптрона.

Ограничить «сверху» выходное напряжение поможет ус­тановка дополнительного резистора R16 в измерительной це­пи (рис.11).

Для индуктивной нагрузки (обмотка возбуждения элект­рической машины, электромагнит металлообрабатывающего станка и т.п.) конденсатор С16 не нужен. Индуктивность дрос­селя L2 должна быть не меньше 10 мГн для минимальной частоты преобразования в десятки герц (определяется пара­метрами элементов R8, R12, С11) и может быть уменьшена для более высоких частот. Кстати, «сложность» частотозада­ющей цепи (R8, R12. С11, VD13) определяется необходимо­стью сформировать «естественную» (без обратной связи) фор­му сигнала, отличающуюся от «меандра» (это — когда скважность равна двум, см. рис.1,а, Nom.), а сделать ее с боль­шим заполнением, близким к единице (рис.1,а, Мах).

Дроссель L1 не является необходимой деталью схемы, а служит лишь для улучшения коэффициента мощности (увели­чения cosφ), что требуют энергогенерирующие компании.

На потребительские свойства этот элемент не вли­яет (кроме ухудшения массо-габаритных показате­лей). Конструкция обоих дросселей (L1, L2) не име­ет особого значения, лишь бы они не насыщались при максимальном токе (они должны быть или очень большого геометрического размера, или с немагнит­ным зазором в магнитопроводе), сечение провода должно быть рассчитано на максимальный ток, а изоляция — на максимальное напряжение.

Конденсатор С14 имеет принципиальное значе­ние — он уменьшает наводимые помехи и замедляет процессы в цепях обратной связи а, следовательно, уменьшает частоту коммутации при стабилизации вы­ходного параметра. Дело в том, что IGBT ключи не «любят» работать на частотах в десятки килогерц — им «комфортнее» если частота переключения не вы­ше 10… 15 кГц (MOSFEET транзисторы могут работать на частотах в десятки раз больших). Качество стабилизации от этого немного ухудшается, но если «надеж­ность» не пустой звук для разработчика, то это того стоит.

Первое включение и настройка устройства

Очень важно! Рассматриваемые устройства не имеют гальванической развязки от сети 230 В / 50 Гц, т.е. все эле­менты находятся под опасным для человека напряжением.

Перед подачей сетевого напряжения желательно убедить­ся в исправности регулятора. Для этого от внешнего источника напряжением 8..15 В нужно запитать микросхему, си­ловую часть и регулятор RV1 по схеме рис.13. Роль нагруз­ки может играть автомобильная лампочка с мощностью, ко­торую может обеспечить временный источник питания. После сборки временной схемы и подачи напряже­ния, лампа должна загораться с максимальным накалом при перемещении движка RV1 вверх и должна притухать до минимума при перемещении движка RV1 вниз. Если так и есть, можно (после восстановления исходной схемы) подавать высо­кое напряжение.

Рис. 13

Улучшение потребительских свойств преобразователя

Само собой разумеется, что питать схему мож­но не только непосредственно от сети 230 В / 50 Гц, а и через силовой разделительный трансформатор со вторичной обмоткой на нужное напряжение (от 30 до 400 В), который на схемах не показан.

На практике часто возникает необходимость в защите от экстремальных условий работы источника питания — перегрузки, короткого замыкания в нагрузке, перенапряжения и т.п. Предлагаемая разработка имеет неограниченные возможнос­ти модернизации. На рис.12 изображена схема с защитой от короткого замыкания в нагрузке — в случае превышения тока через датчик тока К3, срабатывает геркон (К3.1) и, свои­ми контактами, дает отпирающий импульс на управляющий электрод тиристора VS1, который, в свою очередь, блокирует таймер DA1 и зажигает лампу HL3. В таком положении схе­ма будет находиться до отключения питания и устранения не­исправности. Датчик тока К3 представляет собой провод или шину, свитые в спираль, вдоль оси которой и на­ходится геркон К3.1. Ре­гулировка чувствительно­сти датчика производит­ся продвижением геркона вдоль оси спирали. Для токов в единицы ам­пер эта спираль содержит десятки витков, для десятков ампер — единицы витков, а для тока в сотни ампер геркон располагается поперек токо­ведущей шины и регулируется поворотом на некоторый угол от перпендикуляра — самого чувствительного его положения.

Короткие замыкания в плюсовой шине нагрузки, как и питающих шинах, представляют собой особый вид замыка­ний, с которым трудно бороться. В этом случае (рис.11) дат­чик тока К3 в плюсовой шине питания защищает не столько нагрузку, сколько источник питания, диодный мост и контак­ты К1. От перегрузок спасет подобная защита в цепи отри­цательной шины нагрузки (рис.14), рассчитанная на отклю­чающий ток, незначительно превышающий номинальный (при­мерно на 15…20%). Тогда реле Кб заблокирует только тай­мер DA1 (перегруз), а реле К3, при коротком замыкании на землю, отключает контактор К2 и, следовательно, К1 (как на рис.11). Если неисправность не устранена, разряжаются на­копительные конденсаторы и загорается «сигнальная» лам­па HL2, которую можно сопроводить надписью «Авария» или «Неготовность».

Рис. 14

Защитить устройство от коротких замыканий в нагрузке и других токовых нарушений так же может установка индук­тивности L4 в цепи эмиттера силового ключа (рис.12). В за­висимости от номинального тока установки число витков катушки L4 может быть от единиц до десятков (аналогично дат­чику тока К3 на рис.11), с сечением провода, заведомо боль­шим необходимого (рис.15). В нормальном режиме этот эле­мент (из-за своего ничтожного активного сопротивления) не оказывает существенного влияния на режим работы, а в слу­чае «форс-мажора» формирует сигнал управления для бло­кирующего транзистора VT2.

Рис. 15

На рис.3 изображен способ реверсирования двигателя при помощи дополнительных контакторов К4 и К5 и комму­тационных элементов SB1… SB3, но делать это желательно после остановки двигателя или на малых оборотах.

Дополнительные дроссели L5, L6 на рис.14 кроме традици­онной функции сглаживания пульсаций обладают дополнитель­ными функциями — это дифференциальные датчики тока и тем­пературно-зависимые датчики тока. При коротком замыкании в нагрузке, скорость нарастания тока (di/dt) колоссальна и ЭДС наводимая в индуктивности возрастает раньше, чем ток до­стигнет опасных значений. Быстродействующая защита тоже сработает раньше и разрушений не будет — это дифференциаль­ная защита по току. А температурная защита основана на ис­пользовании высокого температурного коэффициента сопротив­ления меди. При увеличении температуры, сопротивление об­мотки увеличивается и это воспринимается датчиком тока, как увеличение тока, что приводит к его автоматическому сниже­нию и защите от перегрева других элементов схемы. От пере­напряжения в нагрузке (например, при пробое силового клю­ча VT1) может защитить реле высокого напряжения К7 (рис.8). После втягивания это реле остается под напряжением, даже если напряжение само нормализовалось — для выявления и устранения неисправности оперативным персоналом.

На рис.9 изображен еще один способ блокировки тайме­ра при аварии, с помощью геркона, аналогичный показанно­му на рис.12. Схема немного сложнее, но имеет большее быстродействие.

Автор: Александр Шуфотинский, г. Кривой Рог
Источник: журнал Электрик №9/2017

Возможно, вам это будет интересно:

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.



Релейный стабилизатор выровняет напряжение. Видео Стабилизатор напряжения – как выбирать для котла отопления. Как выбрать стабилизатор напряжения для дома Электронный стабилизатор напряжения — выбор в пользу надежности. Видео.

Стабилизатор тока для светодиодов

Содержание:
  1. Назначение стабилизатора
  2. Стабилизирующие устройства линейного типа
  3. Импульсные стабилизаторы тока
  4. Драйвер питания светодиодов

Ни для кого не секрет, что светодиодные лампы периодически перегорают, несмотря на продолжительные гарантийные сроки, установленные производителями. Очень многие просто не знают настоящих причин, по которым они выходят из строя. Тем не менее, никаких особых сложностей здесь нет, просто у таких ламп имеются определенные параметры, требующие обязательной стабилизации. Это сила тока в самой лампе и падение напряжения в питающей сети.

Для решения этой проблемы используется стабилизатор тока для светодиодов. Однако не все стабилизаторы могут эффективно решать поставленную задачу. Поэтому в некоторых случаях рекомендуется изготавливать стабилизатор своими руками. Прежде чем приступать к этому процессу следует тщательно разобраться в назначении, устройстве и принципе работы стабилизатора, чтобы не допустить ошибок при сборке схемы.


Назначение стабилизатора

Основной функцией стабилизатора является выравнивание тока, независимо от перепадов напряжения в электрической сети. Всего существует два типа стабилизирующих устройств – линейные и импульсные. В первом случае осуществляется регулировка всех выходных параметров путем распределения мощности между нагрузкой и собственным сопротивлением. Второй вариант значительно эффективнее, поскольку в этом случае на светодиоды поступает лишь необходимое количество мощности. Действие таких стабилизаторов основано на принципе широтно-импульсной модуляции.

У импульсных стабилизаторов более высокий коэффициент полезного действия, составляющий не менее 90%. Однако у них довольно сложная схема и соответственно высокая стоимость по сравнению с приборами линейного типа. Следует отметить, что использование стабилизаторов LM317 допустимо только для линейных схем. Они не могут включаться в цепи с большими значениями токов. Именно поэтому данные устройства наилучшим образом подходят для совместного использования со светодиодами.

Необходимость использования стабилизаторов объясняется особенностями параметров светодиодов. Они отличаются нелинейной вольтамперной характеристикой, когда изменение напряжения на светодиоде приводит к непропорциональному изменению тока. С увеличением напряжения, возрастание тока в самом начале происходит очень медленно, поэтому свечения не наблюдается. Далее, когда напряжение достигает порогового значения, начинается излучение света с одновременным быстрым возрастанием тока. Если напряжение продолжает увеличиваться, в этом случае происходит еще большее возрастание тока, что приводит к сгоранию светодиода.

Характеристики светодиодов отражают значение порогового напряжения в виде прямого напряжения при номинальном токе. Показатель номинального тока для большинства светодиодов малой мощности составляет 20 мА. Мощные светодиоды требуют более высокого номинального тока, достигающего 350 мА и выше. Они выделяют большое количество тепла и устанавливаются на специальные теплоотводы.

Для того чтобы обеспечить нормальную работу светодиодов, питание к ним должно подключаться через стабилизатор тока. Это связано с разбросом порогового напряжения. То есть, различные типы светодиодов отличаются разным прямым напряжением. Даже у однотипных ламп может быть не одинаковое прямое напряжение, причем не только его минимальное, но и максимальное значение.

Таким образом, если подключить параллельно два светодиода к одному и тому же источнику, то они будут пропускать через себя совершенно разный ток. Различие токов приводит к преждевременному выходу их из строя или мгновенному перегоранию. Чтобы избежать подобных ситуаций, светодиоды рекомендуется включать совместно со стабилизирующими устройствами, предназначенные для выравнивания тока и доведения его до определенной, заданной величины.


Стабилизирующие устройства линейного типа

С помощью стабилизатора выполняется установка тока, проходящего через светодиод, с заданным значением, не зависящим от напряжения, приложенного к схеме. Если напряжение превысит пороговый уровень, ток все равно останется прежним и не будет изменяться. В дальнейшем, когда общее напряжение увеличится, его рост произойдет лишь на стабилизаторе тока, а на светодиоде оно останется неизменным.

Таким образом, при неизменных параметрах светодиода, стабилизатор тока может называться стабилизатором его мощности. Распределение активной мощности, выделяемой устройством в виде тепла, происходит между стабилизатором и светодиодом пропорционально напряжению на каждом из них. Данный тип стабилизатора получил название линейного.

Нагрев линейного стабилизатора тока возрастает вместе с ростом приложенного к нему напряжения. Это является его основным недостатком. Тем не менее, это устройство обладает рядом преимуществ. Во время работы отсутствуют электромагнитные помехи. Конструкция очень простая, что делает изделие достаточно дешевым в большинстве схем.

Существуют такие области применения, в которых линейный стабилизатор тока для светодиодов на 12 В становится более эффективным, по сравнению с импульсным преобразователем, особенно когда напряжение на входе лишь незначительно выше напряжения на светодиоде. Если питание осуществляется от сети, в схеме может использоваться трансформатор, к выходу которого подключается линейный стабилизатор.

Таким образом, вначале напряжение снижается до такого же уровня, как и в светодиоде, после чего линейный стабилизатор устанавливает необходимое значение тока. Другой вариант предполагает приближение напряжения светодиода к питающему напряжению. С этой целью выполняется последовательное соединение светодиодов в общую цепочку. В результате, общее напряжение в цепи составит сумму напряжений каждого светодиода.

Некоторые стабилизаторы тока могут быть выполнены на полевом транзисторе, с использованием р-п-перехода. Ток стока устанавливается с помощью напряжения затвор-исток. Ток, проходящий через транзистор, такой же, как и начальный ток стока, указанный в технической документации. Значение минимального рабочего напряжения такого устройства зависит от транзистора и составляет порядка 3 В.


Импульсные стабилизаторы тока

К более экономичным устройствам относятся стабилизаторы тока, основой которых является импульсный преобразователь. Данный элемент известен еще, как ключевой преобразователь или конвертер. Внутри преобразователя мощность прокачивается определенными порциями в виде импульсов, что и определило его название. В нормально работающем устройстве потребление мощности происходит непрерывно. Она непрерывно передается между входной и выходной цепями и также непрерывно поступает в нагрузку.

В электрических схемах стабилизатор тока и напряжения на основе импульсных преобразователей имеет практически одинаковый принцип действия. Единственным отличием является контроль над током через нагрузку, вместо напряжения на нагрузке. Если ток в нагрузке снижается, стабилизатор осуществляет подкачку мощности. В случае увеличения – выполняется снижение мощности. Это позволяет создавать стабилизаторы тока для мощных светодиодов.

В наиболее распространенных схемах дополнительно имеется реактивный элемент, называемый дросселем. От входной цепи на него определенными порциями поступает энергия, которая в дальнейшем передается на нагрузку. Такая передача происходит через коммутатор или ключ, находящийся в двух основных состояниях – выключенном и включенном. В первом случае ток не проходит, а мощность не выделяется. Во втором случае ключ проводит ток, обладая при этом очень малым сопротивлением. Поэтому выделяемая мощность также близка нулю. Таким образом, передача энергии происходит практически без потерь мощности. Однако импульсный ток считается нестабильным и для его стабилизации используются специальные фильтры.

Наряду с явными преимуществами, импульсный преобразователь обладает серьезными недостатками, устранение которых требует специфических конструктивных и технических решений. Эти устройства отличаются сложностью конструкции, они создают электромагнитные и электрические помехи. Они затрачивают определенное количество энергии для собственной работы и в результате нагреваются. Их стоимость существенно выше, чем у линейных стабилизаторов и трансформаторных устройств. Тем не менее, большинство недостатков успешно преодолеваются, поэтому импульсные стабилизаторы пользуются широкой популярностью у потребителей.


Драйвер питания светодиодов

простой стабилизатор тока с минимальной просадкой напряжения

РадиоКот >Схемы >Питание >Преобразователи и UPS >

простой стабилизатор тока с минимальной просадкой напряжения

               Стабилизатор тока с минимальной просадкой напряжения.

С необходимым девайсом столкнулся когда захотел сделать ходовые огни для авто. В магазине из того что было, выбрал самы подходящие по цене и качеству светодиоды LEMWS68T80FZ10. ниже фото зависимости светимости от напряжения на светодиоде.

 

Из таблицы видно что при 150 ма светодиод будет требовать 3 вольта, следовательно соединив 4 штучки последовательно я получу 12 вольт. Но не все так просто, собрав цепь из 4 светодиодов я подключил к лабораторному блоку питания, задал 12 вольт и смотрел. Сначала было как в таблице 150 ма, но потом ток начал расти, и причем cильно, не дожидаясь когда светодиоды сгорят я выключил ток. Проблема в том что при нагревании светодиоды начинают больше потреблять тока, в результате сильнее греться и еще больше потреблять и т д. Так у этих светодиодов очень сильно меняется яркость от напряжения, достаточно увеличить напругу на 0.1 вольт и уже отчетливо видно что светимость изменилась, а это всего 0.1 вольта из 12. Так же следует помнить что в машине не всегда 12 вольт, когда она заведена там уже 14, пробовал ставить постоянный резистор и смотреть как будет меняться светимость при изменение напряжения от 12 до 14, сильно меняется, нужен стабилизатор тока, но очень простой с минимумом обвязки. И вот что я придумал

полевик подойдет любой, единственное на что надо обращать внимание это его рабочие напряжение, прямой он или обратный, сопротивление при 5 вольт на затворе. я выбрал вот такой

резистор на 130 кОм на затворе нужен что бы не возникал резонанс, без него полевик слишком быстро открывается и закрывается и схема не может поймать нужный ток. Ток смотрится путем падения напряжения на резисторе 0.5 Ом. Если нужно держать ток в 100 ма, то напряжение на 0.5 Ом резисторе будет 50 мв, следовательно на 1 ножке микросхемы надо создать с помощью резисторного делителя те же 50 мв. в моем случае их создают резистор на 10 Ком и переменник на 500 Ом. 

Вот и вся схема. Микросхема имеет опорное напряжение 5 вольт на 14 ножке, на 3 ножке напряжение будет меняться от 0 до 5 вольт, тем самым будет осуществляться регулирование тока. Остальная   часть микрухи не задействована. Можно было бы использовать обычный операционный усилитель, но тогда еще стабилитрон с резистором мострячить бы пришлось, да и данная микросхема у меня была под рукой) Схема работает от 12 до 15 вольт, минимальная просадка на стабилизаторе 0.1 вольта при токе 100 ма, и 0.2 вольта при токе 200 ма.

 

 

На достигнутом я не смог остановиться и решил усилить светимость добавив еще 2 ряда светодиодов. Немного поэксперементировав получил такую схему

Настроил на ток 300 ма. по 100 ма на каждый ряд светодиодов, дело в том что при токе 100 ма КПД светодиодов больше и срок службы дольше. Из за неравномерного нагрева возможен перекос, то есть горячие светодиоды буду потреблять тока больше холодных, поэтому на каждую ветку добавил по 5 Ом ресзистору, так же это позволило разгузить полевик, в этой схеме он работает на пределе.  Повысилась минимальная просадка, с 0.1 вольта до 1 вольта. то есть такая схема работает от 13 до 15 вольт. Я решил сделать что бы ходовые огни включались сами при повороте ключа, для этого достаточно в машине найти нужный провод на котором напряжение будет появляться только при повороте ключа и   присоедениться к нему. Так как схема будет практически всегда работать при заведенном двигателе, а это значит напряжение падать если и будет то не существенно, поэтому и сделал рабочий режим от 13 до 15 вольт.

Паралельное соеденение мощных светодиодов как бы не желательно, причина неравномерный нагрев, в этой схеме я так сделал ради эксперемента, хотя можно было просто поднять ток в схеме с одним рядом светодиодов. Если же другого выхода нет и все же светодиоды нужно запаралелить, то нужно добиться что бы их температура по возможности была у всех одинакова.

Далее я сталкнулся с самой очевидной проблемой — нагрев. Вся платка сильно раскалялась, а это снижает срок службы светодиодов. Тем не менее для того что бы отвести тепло не надо мострячить радиатор к каждому светодиоду, оказалось достаточно просто хорошо охолождать плату. Сделал я это так

Полоска меди припаяна к обратно стороне платы, и прикручина к корпусу противотуманки.

естественно вместо переменника я подобрал постоянный резистор.

А вот так оно светиться. Жаль на фото это выглядит не так ярко как когда сам смотришь.


Все вопросы в Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *