Импульсные стабилизаторы напряжения в последнее время становятся достаточно популярными благодаря компактным размерам и сравнительно высокому КПД и ближайшем будущем они полностью вытеснят старые и добрые аналоговые схемы.
Сейчас за пару долларов в Китае можно приобрести готовый модуль DC-DC преобразователя, который обеспечивает регулировку выходного напряжения, имеет возможность ограничивать ток и работает в довольно широком диапазоне входных напряжений.

Наиболее популярная микросхема, на которой строятся такие стабилизаторы – LM2596. Максимальное напряжение до 35 вольт, при токе до 3-х ампер. Работает микросхема в импульсном режиме, нагрев на ней не очень сильный при довольно внушительных нагрузках, компактна и стоит копейки.

Добавлением ОУ можно получить и ограничение выходного тока, скажу больше – стабилизацию тока, иными словами – ток будет держаться на уровне заданного не зависимо от напряжения.
Такие модули довольно компактны и можно встроить в любую самодельную конструкцию блока питания и зарядного устройства. Подключив на выход цифровой вольтметр мы будем знать какое напряжение на выходе. .

На самой плате имеются подстроечные резисторы для ограничения выходного тока и регулировки напряжения. Диапазон входного напряжения позволит внедрять такой модуль в автомобиль, напрямую подключив к бортовой сети 12 Вольт. Что это нам даст?

1. 1) Универсальное зарядное устройство с большим током. Можно заряжать любые смартфоны, планшеты, плееры и прочие проигрыватели, навигаторы и портативные охранные системы, притом к устройству можно подключать скажем 2-3 смартфона одновременно и все они будут одинаково хорошо заряжаться.

2. 2) Подключите устройство скажем к адаптеру ноутбука, выставьте на выходе 14-15 Вольт и смело заряжайте аккумулятор! 3 ампера довольно немалый ток для зарядки автомобильного аккумулятора, правда саму плату преобразователя придется установить на небольшой радиатор.

С полезностью платы однозначно нельзя поспорить, да и стоит копейки (не более 2-3 долларов США). Эту же плату можно изготовить в домашних условиях, при наличии определенных компонентов, правда готовый модуль стоит куда дешевле, чем отдельные компоненты.

Сдвоенный операционный усилитель, на первом элементе оу построен узел ограничения тока, на втором – индикация. Сама микросхема с обвязкой, силовой дроссель, который может быть намотан самостоятельно и пара регуляторов. Схема почти не перегревается при малых токах – но маленький теплоотвод не помешает.

Рассматриваемая сегодня микросхема - это регулируемый DC-DC преобразователь напряжения, или просто понижающий регулируемый стабилизатор тока 40 вольт на входе и от 1,2 до 35 В на выходе. LM2576 требует входное питание около 40-50 в постоянного тока. Так как она может держать токи до 3-х ампер, LM2576 работает как импульсный стабилизатор, способный управлять нагрузкой 3 А с минимальным количеством компонентов и небольшим радиатором. Цена микросхемы LM2576 составляет примерно 140 рублей.

Принципиальная схема стабилизатора

Особенности схемы

• Выходное регулируемое напряжение 1,2 - 35 В и низкий уровень пульсаций
• Потенциометр для плавной регулировки выходного напряжения
• На плате есть мостовой выпрямитель напряжения переменного тока
• Светодиодная индикация входного питания
• Размеры печатной платы 70 х 63 мм

Предназначена схема для настольных блоках питания, зарядных устройств для батарей, как светодиодный драйвер. Далее 2 варианта исполнения - в стандартном и планарном виде:

Почему в таких источниках стабилизированного питания нельзя применять простые параметрические стабилизаторы типа LM317? Потому что рассеиваемая мощность на напряжении 30 В 3 А будет несколько десятков ватт - потребуется огромный радиатор и кулер. А вот при импульсной стабилизации выделяемая на микросхеме мощность почти в 10 раз меньше. Поэтому с LM2576 получаем небольшой и мощный, универсальный регулируемый стабилизатор напряжения.

Отличительной особенностью и недостатком обычных линейных стабилизаторов напряжения, работающих в режиме сильных девиаций по входному уровню, является их низкий КПД. Подобное положение, как правило, объясняется значительными тепловыми потерями в элементах схемы. Помимо этого, такие устройства при больших нагрузочных токах (до десятков Ампер) выглядят очень громоздко и имеют значительный вес. Существенно улучшить все указанные параметры преобразовательного устройства удаётся в случае применения импульсного метода стабилизации.

Импульсный стабилизатор напряжения – это прибор особого класса, позволяющий поддерживать выходное напряжение в заданных пределах за счёт ключевого режима работы основных элементов схемы. Рассмотрим принцип действия этого устройства более подробно.

Основы импульсного преобразования

Прежде всего, следует знать, что импульсные устройства для получения стабилизированного напряжения, подобно своим линейным аналогам, могут выполняться по параллельной и последовательной схеме. И в том, и в другом случае функцию ключевого элемента традиционно выполняет мощный полевой транзистор. Поскольку в режиме ключа его рабочая точка мгновенно смещается из области насыщения в зону отсечки (быстро «проскакивая» активный участок), такая схема имеет минимальные тепловые потери. А это свидетельствует о том, что импульсный стабилизатор напряжения обладает высоким КПД.

Стабилизация выходного сигнала осуществляется за счёт управления длительностью или частотой следования вырабатываемых специальным генератором импульсов, что в электронике называется широтным (ШИ) или частотным (ЧИ) импульсным регулированием.

Обратите внимание! В некоторых моделях таких приборов применяется комбинированный широтно-частотный метод управления (ЧШИ).

В стабилизаторах первого типа (ШИ) периодичность следования импульсов остаётся величиной постоянной, а меняется лишь их длительность. Во втором случае изменению подлежит частота, а длина (скважность) импульсного сигнала со временем не меняется.

На выходе регулирующего преобразователя (инвертора) присутствует сигнал прямоугольной формы, который не годится для подачи в рабочую нагрузку. Поэтому его прежде следует выпрямить или сгладить до формы, пригодной для использования. Этим и объясняется наличие на выходе устройства специального фильтрующего модуля, состоящего из сглаживающих пульсации элементов. Их функцию традиционно выполняют емкостно-индуктивные цепочки П,- или Г-образного типа.

В зависимости от параметров этих цепей (от индуктивности дросселя, в частности), ток через фильтрующий LС-элемент может иметь прерывистый или постоянный характер. Всё определяется тем, успевает ли к приходу очередного импульса разрядиться через индуктивность заряженный ранее конденсатор. При предъявлении особых требований к уровню пульсаций предпочтение отдаётся неразрывному принципу формирования выходного тока.

Дополнительная информация. Своеобразной «расплатой» за это является значительный расход медного материала, идущего на изготовление катушки дросселя.

В тех случаях, когда значение коэффициента пульсаций не нормируется, допускается, чтобы схема работала в режиме прерывистых токов.

Блок-схема

Классический импульсный стабилизатор напряжения содержит в своём составе следующие обязательные модули:

• Задающий генератор;
• Непосредственно преобразователь (инвертор);
• Сравнивающее устройство;
• Фильтрующий элемент.

Задающий генератор (ЗГ) обеспечивает формирование импульсов с формой, близкой к прямоугольному стандарту. Последние поступают в преобразовательное устройство, где осуществляется их обработка по выбранному параметру управления (частоте, длительности или тому и другому сразу). Затем обработанные импульсы подаются на фильтрующий элемент, а после него – на выход и в цепочку обратной (управляющей) связи.

Ознакомиться с порядком работы устройства поможет приведённая ниже блок-схема.

Важно! Ключевым звеном в этой схеме является цепочка обратной связи (устройство сравнения), наличие которой позволяет по состоянию выходного сигнала определять необходимость дополнительных действий (регулировок).

То есть когда выходной сигнал имеет идеальные параметры, устройство сравнивает его с образцовыми напряжениями и воспринимает это как команду к прерыванию управляющей операции. Если форма или другая характеристика выходного сигнала начинают отличаться от заданных в ТУ параметров, сравнивающий модуль (СУ) вырабатывает сигнал дополнительной корректировки формируемых генератором импульсов.

Преимущества ОС-регулирования

На задающий генератор подаётся разностный сигнал, пропорциональный отклонению параметров выходного напряжения от нормы, так что вся эта схема работает по принципу дифференциального усилителя. Такое схемное решение позволяет многократно увеличить чувствительность петли обратной связи (ОС) и повысить эффективность процесса регулирования.

В таком режиме формируемые ЗГ управляющие импульсы поступают на ключевые элементы преобразовательного устройства, где происходит их обработка с одновременной подготовкой к последующей фильтрации. При изменении частоты или ширины импульса сигналом с СУ удаётся добиться требуемого качества выходного напряжения.

Дополнительная информация. Возможны ситуации, когда необходимость в регулировке полностью исключается. Обычно это случается, когда выходное напряжение соответствует заданным ТУ требованиям.

Схемы управляющих устройств

Повышающие

Повышающие импульсные схемы стабилизации востребованы при необходимости подключения нагрузки, напряжение на которой должно превышать входной параметр на какую-то величину. При этом гальванической развязки между потребителем и питающей электрической сетью 220 Вольт не предусматривается. За рубежом этот принцип преобразования называется «boost converter», а его схема приводится на рисунке, размещённом ниже по тексту.

При поступлении управляющего напряжения между затвором и истоком транзистора VT1 он входит в состояние насыщения, обеспечивая беспрепятственное протекание тока через накопительный дроссель L1. При этом составляющая выходного тока создаётся за счёт зарядки конденсатора С1.

После снятия потенциала с транзистора VT1 он переходит в состояние отсечки; при этом на дросселе L1 появляется ЭДС самоиндукции, передающаяся через диод VD1 на нагрузку с той же полярностью. По окончании протекания тока по дросселю L1 катушка полностью отдаёт энергию в цепь. Её принимает конденсатор С1, который заряжается до тех пор, пока транзистор VT1 снова не окажется в насыщении.

Понижающий стабилизатор

Понижающий стабилизатор работает по тому же принципу, но только дроссель в этом случае включается после управляемого полевого транзистора (смотрите рисунок ниже).

Зарубежное название этого принципа преобразования – «chopper», а его характерной особенностью является пониженное выходное напряжение.

После подачи управляющего импульса на VT1 транзистор насыщается, вследствие чего через него начинает течь ток, поступающий через сглаживающий дроссель L1 непосредственно в нагрузку (диод VD1 закрыт обратным напряжением).

После снятия входного сигнала ключевой транзистор перейдёт в режим отсечки, что приведёт к резкому снижению тока. ЭДС самоиндукции дросселя L1 будет усиленно препятствовать его уменьшению, поддерживая процесс в нагрузке. Однако за счёт падения напряжения на катушке L1 его величина на выходе устройства будет всегда меньше входного значения (за счёт противоположного знака ЭДС).

Инвертирующее устройство

Этот тип стабилизаторов применяется при работе с нагрузками, имеющими фиксированный вольтаж выходного напряжения, сдвинутого по фазе относительно входного. При этом само его значение может быть как больше, так и меньше, чем входное (всё зависит от того, как было отстроено инвертирующее устройство).

Аналогично обеим предыдущим схемам здесь гальваническая развязка питающих и выходных цепей полностью отсутствует. На иностранном лексиконе такие стабилизаторы обозначаются как «buck-boost converter». Основное схемное отличие от понижающего преобразователя состоит в том, что дроссель и диод в этом случае поменялись местами. Причём полупроводниковый элемент включается в обратном (закрытом для прямого тока) направлении.

Такая замена приводит к сдвигу по фазе между входным и выходным сигналами на 90 градусов (иными словами – к его инверсии).

В заключительной части этого обзора обратим внимание на ещё одну деталь, характерную для всех рассмотренных разновидностей преобразующих устройств. В качестве коммутирующего ключа во всех схемах используется специальный полупроводниковый элемент с полевой структурой, управляемый не напряжением, а потенциалом. За счёт этого удаётся многократно сократить входные управляющие токи, а также дополнительно повысить КПД всего устройства в целом.

Видео

Для нормального функционирования бытовой техники требуется стабильное напряжение. Как правило, в сети могут происходить различные сбои. Напряжение от 220 В может отклоняться, и в устройстве происходят сбои. В первую очередь под удар попадают лампы. Если рассматривать бытовую технику в доме, то могут пострадать телевизоры, аудиоаппаратура и прочие приборы, которые работают от электросети.

В данной ситуации на помощь людям приходит импульсный стабилизатор напряжения. Он в полной мере способен справиться со скачками, которые возникают ежедневно. Многих при этом волнует вопрос о том, как появляются перепады напряжения, и с чем они связаны. Зависят они главным образом от загруженности трансформатора. На сегодняшний день количество электроприборов в жилых домах все время увеличивается. Как результат, потребности в электричестве непременно растут.

Также следует учитывать, что к жилому дому могут быть проложены кабели, которые уже давно устарели. В свою очередь, квартирная проводка в большинстве случаев не рассчитана на большие нагрузки. Чтобы обезопасить свою технику в доме, следует более подробно ознакомиться с устройством стабилизаторов напряжения, а также принципом их работы.

Какие функции выполняет стабилизатор?

Главным образом импульсный стабилизатор напряжения служит контролером сети. Все скачки при этом отслеживаются им и устраняются. В результате техника получает стабильное напряжение. Электромагнитные помехи стабилизатором также учитываются, и на работу устройств не способны повлиять. Таким образом, сеть избавляется от перегрузок, и случаи практически исключаются.

Устройство простого стабилизатора

Если рассматривать стандартный импульсный напряжения, то в нем устанавливается только один транзистор. Как правило, их используют исключительно коммутирующего типа, поскольку на сегодняшний день они считаются более эффективными. В результате коэффициент полезного действия устройства можно сильно поднять.

Вторым важным элементом импульсного стабилизатора напряжения следует назвать диоды. В обычной схеме их можно встретить не больше трех единиц. Соединяются они друг с другом с помощью дросселя. Для нормальной работы транзисторов важными являются фильтры. Устанавливаются они в начале, а также конце цепочки. При этом блок регулирования отвечает за работу конденсатора. Его неотъемлемой частью принято считать резисторный делитель.

Как это работает?

В зависимости от типа устройства, принцип действия импульсного стабилизатора напряжения может отличаться. Рассматривая стандартную модель, можно сказать, что сначала ток подается на транзистор. На данном этапе происходит его преобразование. Далее в работу включаются диоды, в обязанности которых входит передача сигнала на конденсатор. При помощи фильтров, электромагнитные помехи отсеиваются. Конденсатор в этот момент сглаживает колебания напряжения и по дросселю ток через резистивный делитель вновь возвращается к транзисторам для преобразования.

Самодельные устройства

Сделать импульсный стабилизатор напряжения своими руками можно, но они будут иметь малую мощность. При этом резисторы устанавливаются самые обычные. Если использовать в приборе более одного транзистора, можно добиться высокого коэффициента полезного действия. Важным заданием в этом плане является установка фильтров. Именно они влияют на чувствительность прибора. В свою очередь, габариты устройства совсем не важны.

Стабилизаторы с одним транзистором

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения данного типа способен похвастаться коэффициентом полезного действия на уровне 80 %. Как правило, он функционируют только в одном режиме и может справляться только с малыми помехами в сети.

Обратная связь в данном случае полностью отсутствует. Транзистор в стандартной схеме импульсного стабилизатора напряжения функционирует без коллектора. В результате на конденсатор сразу подается большое напряжение. Еще одной отличительной чертой приборов данного типа можно назвать слабый сигнал. Решить эту проблему смогут различные усилители.

В результате можно добиться лучшей работоспособности транзисторов. Резистор устройства в цепи в обязательном порядке должен находиться за В данном случае можно будет добиться более качественной работы устройства. В качестве регулировщика в цепи импульсный стабилизатор постоянного напряжения имеет блок контроля. Данный элемент способен ослаблять, а также повышать мощность транзистора. Происходит это явление при помощи дросселей, которые соединены с диодами в системе. Нагрузка на регулятор контролируется через фильтры.

Стабилизаторы напряжения ключевого типа

Зачем устанавливать компенсаторы?

Компенсаторы в большинстве случаев играют в стабилизаторе второстепенную роль. Связана она с регулировкой импульсов. Главным образом с этим справляются транзисторы. Однако свои преимущества у компенсаторов все же имеются. В данном случае многое зависит от того, какие приборы подключены к источнику питания.

Если говорить о радиооборудовании, то тут необходим особый подход. Связан он с различными колебаниями, которые воспринимаются таким прибором иначе. В этом случае компенсаторы способны помочь транзисторам в стабилизации напряжения. Установка дополнительных фильтров в цепи, как правило, ситуацию не улучшает. При этом они сильно влияют на коэффициент полезного действия.

Недостатки гальванических развязок

Гальванические развязки устанавливаются для передачи сигнала между важными элементами системы. Основной их проблемой можно назвать неверную оценку входного напряжения. Происходит это чаще всего с устаревшими моделями стабилизаторов. Контроллеры в них не способны быстро обрабатывать информацию и подключать в работу конденсаторы. В результаты диоды страдают в первую очередь. Если система фильтрации устанавливается за резисторами в электрической цепи, то они просто сгорают.