Усовершенствование импульсного стабилизатора напряжения

В журнале "Радио" № 8 за 1985 год в статье "Простой ключевой стабилизатор напряжения" был описан импульсный стабилизатор напряжения, который при относительной простоте технического решения имеет высокие энергетические показатели и вполне пригоден для электропитания устройств на микросхемах ТТЛ. Вместе с этим при дальнейшей доработке стабилизатора такие его характеристики, как КПД, нестабильность выходного напряжения, длительность и характер переходного процесса при воздействии импульсной нагрузки, удалось значительно улучшить.

Установлено, что при работе стабилизатора возникает так называемый сквозной ток через составной ключевой транзистор. Этот ток появляется в те моменты, когда по сигналу узла сравнения ключевой транзистор открывается, а коммутационный диод еще не успел закрыться. Наличие этого тока вызывает дополнительные потери на нагревание транзистора и диода и уменьшает КПД всего устройства.

Еще один недостаток - значительная пульсация выходного напряжения при токе нагрузки, близком к предельному. Для борьбы с пульсациями в стабилизатор был введен дополнительный выходной LC-фильтр (L2C6). Уменьшить нестабильность выходного напряжения от изменения тока нагрузки можно только уменьшением активного сопротивления дросселя L2. Улучшение динамики переходного процесса (в частности, понижение его длительности) связано с необходимостью уменьшить индуктивность дросселя, но при этом неизбежно увеличится пульсация выходного напряжения.

рис. 1

Поэтому оказалось целесообразным фильтр L2C6 исключить (рис. 1), а общую емкость конденсаторов С3, С4 увеличить в 5...10 раз параллельным соединением в батарею нескольких конденсаторов. На рис. 2 изображен вид переходного процесса в доработанном стабилизаторе при импульсном характере нагрузки. Сравнение с графиком, представленным на рис. 3,а в вышеупомянутой статье, показывает значительное улучшение переходного процесса.

рис. 2

Нагрузочные характеристики Uвых=f(Iн) (см. также рис. 2,б той же статьи) при различных значениях входного напряжения доработанного стабилизатора изображены на рис. 3. Из сравнения этих рисунков видно, что нестабильность выходного напряжения в интервале выходного тока от 0,5 до 4 А при входном напряжении 15...25 В уменьшилась в 2 раза.

рис. 3

Цепь R3C2 в исходном стабилизаторе практически не изменяет длительности спада выходного тока, поэтому ее можно удалить (замкнуть резистор R3), а сопротивление резистора R4 увеличить до 820 Ом. Но тогда при увеличении входного напряжения с 15 В до 25 В ток, протекающий через резистор R4 (в исходном устройстве), будет увеличиваться в 1,7 раза, а мощность рассеивания - в 3 раза (до 0,7 Вт). Подключением нижнего по схеме вывода резистора R4 (на схеме доработанного стабилизатора он тоже R4) к плюсовому выводу конденсаторов С3, С4 этот эффект можно ослабить, но при этом его сопротивление должно быть уменьшено до 620 Ом.

Один из эффективных путей борьбы со сквозным током - увеличение времени нарастания тока через открывшийся ключевой транзистор. Тогда при полном открывании транзистора ток через диод VD1 уменьшится почти до нуля. Этого можно достигнуть, если форма тока через ключевой транзистор будет близка к треугольной. Как показывает расчет, для получения такой формы тока индуктивность накопительного дросселя L1 не должна превышать 30 мкГн.

Еще один путь - применение более быстродействующего коммутационного диода (VD1), например, КД219Б. Это так называемый диод с барьером Шоттки. У таких диодов выше быстродействие и меньше падение напряжения при одном и том же значении тока по сравнению с обычным кремниевым высокочастотным. Конденсаторы С3-С7 - из серии К52-1.

Все перечисленные выше изменения не приводят к значительному изменению принципиальной схемы и печатной платы стабилизатора.

Улучшение параметров устройства может быть получено и при изменении режима работы ключевого транзистора. Особенность работы мощного транзистора VT3 в исходном и улучшенном стабилизаторах состоит в том, что он работает в активном режиме, а ненасыщенном, и поэтому имеет высокое значение коэффициента передачи тока и быстро закрывается. Однако из-за повышенного напряжения на нем, когда он открыт, рассеиваемая мощность в 1,5...2 раза превышает минимально достижимое значение.

Понизить напряжение на ключевом транзисторе можно подачей положительного относительно плюсового провода питания напряжения смещения на эмиттер транзистора VT2 (см. рис. 1). Значение напряжения смещения подбирают при налаживании стабилизатора. Если он питается от выпрямителя, подключенного к сетевому трансформатору, то для получения напряжения смещения можно предусмотреть отдельную обмотку на трансформаторе. Однако при этом напряжение смещения будет изменяться вместе с сетевым.

Для получения стабилизированного напряжения смещения стабилизатор надо доработать (рис. 4), а дроссель превратить в трансформатор Т1, намотав дополнительную обмотку II. Когда ключевой транзистор закрыт, а диод VD1 открыт, напряжение на обмотке 1 определяется из выражения: U1==Uвых+Uvd1. Поскольку напряжение на выходе и на диоде в это время меняется незначительно, то независимо от значения входного напряжения на обмотке II напряжение практически стабилизировано. После выпрямления его подают на эмиттер транзистора VT2.

рис. 4

Улучшение энергетических характеристик второго варианта доработанного стабилизатора иллюстрирует рис. 5, где для сравнения показаны аналогичные зависимости и первого варианта (сравните также с рис. 2,а в упомянутой выше статье). При этом потери на нагрев снизились в первом варианте доработанного стабилизатора на 14,7%, а во втором - на 24,2%, что позволяет им работать при токе нагрузки до 4 А без установки ключевого транзистора на теплоотвод.

рис. 5

В стабилизаторе варианта 1 дроссель L1 содержит 11 витков, намотанных жгутом из восьми проводников ПЭВ-1 0,35. Обмотку помещают в броневой магнитопровод Б22 из феррита 2000НМ. Между чашками нужно заложить прокладку из текстолита толщиной 0,25 мм. В стабилизаторе варианта 2 трансформатор Т1 образован намоткой поверх катушки дросселя L1 двух Витков провода ПЭВ-1 0.35. Вместо германиевого диода Д310 можно использовать кремниевый, например, КД212А или КД212Б, при этом число витков обмотки II нужно увеличить до трех.

РАДИО N 4, 1987 г., c.35-36.