Ключовий стабілізатор постійної напруги. Пристрій, принцип роботи імпульсного стабілізатора напруги

З цієї статті ви дізнаєтесь про:

Кожен із нас у своєму житті використовує велику кількість різних електроприладів. Дуже велика їх кількість потребує низьковольтного харчування. Тобто вони споживають електроенергію, яка не характеризується напругою в 220 вольт, а повинна мати від одного до 25 вольт.

Звичайно, для подачі електроенергії з такою кількістю вольт використовують спеціальні прилади. Проте, проблема виникає над пониженні напруги, а дотриманні її стабільного рівня.

Для цього можна скористатися лінійними стабілізаційними пристроями. Однак, таке рішення буде дуже громіздким задоволенням. Це завдання ідеально виконає будь-який імпульсний стабілізатор напруги.

Розібраний імпульсний стабілізатор

Якщо порівнювати імпульсні та лінійні стабілізаційні прилади, то головна їхня відмінність полягає в роботі регулюючого елемента. У першому типі пристроїв цей елемент працює як ключ. Тобто він знаходиться або в замкнутому, або в розімкнутому стані.

Головними елементами імпульсних стабілізаційних пристроїв є регулюючий та інтегруючий елементи. Перший забезпечує подачу та переривання подачі електричного струму. Завданням другого є накопичення електроенергії та поступова її віддача у навантаження.

Принцип роботи імпульсних перетворювачів

Принцип роботи імпульсного стабілізатора

Головний принцип роботи полягає в тому, що при замиканні регулюючого елемента електроенергія накопичується в елементі, що інтегрує. Це накопичення спостерігається підвищенням напруги. Коли регулюючий елемент відключається, тобто. розмикає лінію подачі електрики, інтегруючий компонент віддає електрику поступово знижуючи величину напруги. Завдяки такому способу роботи імпульсний стабілізаційний пристрій не витрачає великої кількості енергії та може мати невеликі габарити.

Регулюючий елемент може бути тиристор, біполярний транзитор або польовий транзистор. Як інтегруючі елементи можуть використовуватися дроселі, акумулятори або конденсатори.

Зауважимо, що імпульсні стабілізаційні пристрої можуть працювати двома різними способами. Перший передбачає використання широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Другий – тригера Шмітта. Як ШІМ, так і тригер Шмітта використовуються для керування ключами стабілізаційного пристрою.

Стабілізатор з використанням ШІМ

Імпульсний стабілізатор постійної напруги, який працює на основі ШІМ, крім ключа та інтегратора у своєму складі має:

1. генератор;
2. операційний посилювач;
3. модулятор

Робота ключа безпосередньо залежить від рівня напруги на вході та шпаруватості імпульсів. Вплив на останню характеристику здійснюють частота генератора та ємність інтегратора. Коли ключ розмикається, починається процес віддачі електрики з інтегратора навантаження.

Принципова схема стабілізатора ШІМ

При цьому операційний підсилювач порівнює рівні вихідної напруги та напруги порівняння, визначає різницю та передає необхідну величину посилення на модулятор. Цей модулятор здійснює перетворення імпульсів, які видає генератор, прямокутні імпульси.

Кінцеві імпульси характеризуються таким же відхиленням шпаруватості, яке пропорційно різниці вихідної напруги та напруги порівняння. Саме ці імпульси визначають поведінка ключа.

Тобто за певної шпару ключ може замикатися, або розмикатися. Виходить, що головну роль цих стабілізаторах грають імпульси. Власне від цього і походить назва цих пристроїв.

Перетворювач із тригером Шмітта

У тих імпульсних стабілізаційних приладах, які використовують тригер Шмітта, вже немає такої великої кількості компонентів, як у попередньому типі пристрою. Тут головним елементом є тригер Шмітта, до складу якого входить компаратор. Завданням компаратора є порівняння рівня напруги на виході та максимально допустимого її рівня.

Стабілізатор із тригером Шмітта

Коли напруга на виході перевищила свій максимальний рівень, тригер перемикається в нульову позицію і призводить до розмикання ключа. У цей час дросель чи конденсатор розряджаються. Звичайно, за характеристиками електричного струму постійно стежить вищезгаданий компаратор.

І тоді, коли напруга падає нижче за необхідний рівень, фаза «0» змінюється на фазу «1». Далі ключ замикається, і електричний струм надходить в інтегратор.

Перевагою такого імпульсного стабілізатора напруги є те, що його схема та конструкція є досить простими. Однак він не може застосовуватись у всіх випадках.

Варто відзначити, що імпульсні стабілізаційні пристрої можуть працювати лише в окремих напрямках. Тут мається на увазі, що вони можуть бути суто знижуючими, так і суто підвищують. Також виділяють ще два типи таких приладів, а саме інвертуючий та пристрій, які можуть довільно змінювати напругу.

Схема знижуючого імпульсного стабілізаційного приладу

Надалі розглянемо схему знижувального стабілізаційного імпульсного приладу. Він складається з:

1. Регулюючого транзистора або іншого типу ключа.
2. Котушки індуктивності.
3. Конденсатор.
4. Діод.
5. Навантаження.
6. Пристрої керування.

Вузол, в якому накопичуватиметься запас електроенергії, складається з самої котушки (дросселя) і конденсатора.

У той час, коли ключ (у нашому випадку транзистор) підключений, струм рухається до котушки та конденсатора. Діод перебуває у закритому стані. Тобто вона не може пропускати струм.

За вихідною енергією стежить пристрій управління, який у потрібний момент відключає ключ, тобто переводить його в стан відсікання. Коли ключ перебуває у цьому стані, відбувається зменшення струму, що проходить через дросель.

Знижувальний імпульсний стабілізатор

При цьому в дроселі змінюється напрям напруги і результат струм отримує напруга, величина якого є різницею між електрорушійною силою самоіндукції котушки і кількістю вольт на вході. У цей час відкривається діод і дросель через нього подає струм у навантаження.

Коли запас електроенергії вичерпується, відбувається підключення ключа, закриття діода і зарядка дроселя. Тобто все повторюється.
Підвищує імпульсний стабілізатор напруги працює так само, як і знижуючий. Аналогічним алгоритмом роботи характеризується і стабілізаційний прилад, що інвертує. Звісно, ​​його робота має свої відмінності.

Головна відмінність імпульсного підвищуючого пристрою полягає в тому, що в ньому вхідна напруга і напруга котушки мають один і той же напрямок. У результаті вони підсумовуються. В імпульсному стабілізаторі спочатку розміщується дросель, потім транзистор та діод.

У стабілізаційному пристрої, що інвертує, напрям ЕРС самоіндукції котушки є таким, як і в знижувальному. У той час, коли ключ і закривається діод, живлення забезпечує конденсатор. Будь-який із таких приладів можна зібрати власноруч.

Корисна порада: замість діодів можна використовувати ключі (тиристорні або транзисторні). Однак вони повинні виконувати операції, які є протилежними основному ключу. Іншими словами, коли основний ключ закривається, ключ замість діода повинен відкриватися. І навпаки.

Виходячи з вищевизначеної будови стабілізаторів напруги з імпульсним регулюванням, можна визначити ті особливості, які належать до переваг, а які до недоліків.

Переваги

Перевагами цих пристроїв є:

1. Досить легке досягнення такої стабілізації, що характеризується дуже високим коефіцієнтом.
2. ККД високого рівня. Завдяки тому, що транзистор працює в алгоритмі ключа, відбувається мале розсіювання потужності. Це розсіювання значно менше, ніж у лінійних стабілізаційних пристроях.
3. Можливість вирівнювання напруги, яка на вході може коливатися у дуже великому діапазоні. Якщо струм є постійним, то цей діапазон може становити від одного до 75 вольт. Якщо струм є змінний, то цей діапазон може коливатися в межах 90-260 вольт.
4. Відсутність чутливості до частоти напруги на вході та якості електроживлення.
5. Кінцеві параметри на виході досить стійкі навіть за умови, якщо відбуваються дуже великі зміни в струмі.
6. Пульсація напруги, яка виходить з імпульсного пристрою, завжди знаходиться в межах мілівольтового діапазону і не залежить від того, яку потужність мають підключені електроприлади або їх елементи.
7. Стабілізатор вмикається завжди м'яко. Це означає, що у виході струм не характеризується стрибками. Хоча треба зазначити, що при першому включенні викид струму є високим. Однак для нівелювання цього явища застосовуються термістори, які мають негативну ТКС.
8. Малі величини маси та розмірів.

Недоліки

1. Якщо ж говорити про недоліки цих стабілізаційних приладів, то вони у складності пристрою. Через велику кількість різних компонентів, які можуть вийти з ладу досить швидко, і специфічного способу роботи прилад не може похвалитися високим рівнем надійності.
2. Він постійно стикається з високою напругою. Під час роботи часто відбуваються перемикання та спостерігаються складні температурні умови для кристалу діода. Це однозначно впливає придатність до випрямлення струму.
3. Часте перемикання комутуючих ключів створює частотні перешкоди. Їхнє число дуже велике і це є негативним фактором.

Корисна порада: для усунення цього недоліку потрібно скористатися спеціальними фільтрами.

1. Їх встановлюють як на вході, так і на виході. У тому випадку, коли потрібно зробити ремонт, то він також супроводжується складнощами. Тут варто зазначити, що нефахівець поломку усунути не зможе.
2. Ремонтні роботи може здійснити той, хто добре розуміється на таких перетворювачах струму та має необхідну кількість навичок. Іншими словами, якщо такий прилад згорів і його користувач не має жодних знань про особливості приладу, краще віднести на ремонт в спеціалізовані компанії.
3. Також для нефахівців складно налаштовувати імпульсні стабілізатори напруги, до яких може входити 12 вольт або інша кількість вольт.
4. У тому випадку, якщо вийде з ладу тиристор або будь-який інший ключ, можуть виникнути складні наслідки на виході.
5. До мінусів належить і потреба у використанні приладів, які компенсуватимуть коефіцієнт потужності. Також деякі фахівці зазначають, що такі стабілізаційні пристрої коштують дорого та не можуть похвалитися великою кількістю моделей.

Сфера застосування

Але, незважаючи на це, такі стабілізатори можуть застосовуватися в багатьох сферах. Однак найбільше використовуються вони в радіонавігаційному устаткуванні та електроніці.

Крім цього, їх часто застосовують для телевізорів з рідкокристалічним дисплеєм та рідкокристалічних моніторів, джерел живлення цифрових систем, а також для промислового обладнання, яке потребує струму з низькою кількістю вольт.

Корисна порада: часто імпульсні стабілізаційні пристрої використовують у мережах із змінним струмом. Самі пристрої перетворюють такий струм на постійний і в тому випадку, якщо потрібно підключити користувачів, які потребують змінного струму, то на вході потрібно підключити фільтр згладжування та випрямляч.

Варто зазначити, що будь-який низьковольтний пристрій вимагає використання таких стабілізаторів. Також їх можна використовувати для безпосереднього підзаряджання різних акумуляторів та живлення потужних світлодіодів.

Зовнішній вигляд

Як зазначалося вище, перетворювачі струму імпульсного типу характеризуються невеликими розмірами. Залежно від того, на який діапазон вхідних вольт вони розраховані, залежить їх розмір та зовнішній вигляд.

Якщо вони призначені для роботи з дуже малою величиною вхідної напруги, то вони можуть бути малою пластмасовою коробкою, від якої відходить певна кількість проводів.

Стабілізатори, розраховані на велику кількість вхідних вольт, є мікросхемою, в якій знаходяться всі дроти і до якої підключаються всі компоненти. Про них ви вже довідалися.

Зовнішній вигляд цих стабілізаційних пристроїв залежить і від функціонального призначення. Якщо вони забезпечують вихід регульованої (змінної) напруги, то резиторний дільник розміщують поза інтегральною схемою. У тому випадку, якщо з приладу виходитиме фіксована кількість вольт, цей дільник вже знаходиться в самій мікросхемі.

Важливі характеристики

При підборі імпульсного стабілізатора напруги, який може видавати постійні 5в або іншу кількість вольт, звертають увагу на ряд характеристик.

Першою і найважливішою характеристикою є величини мінімальної та максимальної напруги, яка входитиме в сам стабілізатор. Про верхні та нижні межі цієї характеристики вже зазначалося.

Другим важливим параметром є найвищий рівень струму на виході.

Третьою важливою характеристикою є номінальний рівень вихідної напруги. Інакше кажучи спектр величин, у якого воно може бути. Варто зазначити, що багато експертів стверджують, що максимальна вхідна та вихідна напруги рівні.

Однак насправді це не так. Причиною цього є те, що вхідні вольти зменшуються на ключовому транзисторі. В результаті на виході виходить дещо менша кількість вольт. Рівність може бути тільки тоді, коли струм навантаження дуже малий. Те саме стосується і мінімальних значень.

Важливою характеристикою будь-якого імпульсного перетворювача є точність напруги на виході.

Корисна порада: цей показник слід звертати увагу тоді, коли стабілізаційний пристрій забезпечує вихід фіксованого кількості вольт.

Причиною цього і те, що резистор перебуває у середині перетворювача і точні його роботи визначаються виробництва. Коли кількість вихідних вольт регулюється користувачем, регулюється і точність.

Для нормального функціонування побутової техніки потрібна стабільна напруга. Як правило, у мережі можуть відбуватися різні збої. Напруга від 220 може відхилятися, і у пристрої відбуваються збої. Насамперед під удар потрапляють лампи. Якщо розглядати побутову техніку в будинку, можуть постраждати телевізори, аудіоапаратура та інші прилади, які працюють від електромережі.

У цій ситуації допоможе людям приходить імпульсний стабілізатор напруги. Він повною мірою здатний впоратися зі стрибками, що виникають щодня. Багатьох при цьому турбує питання про те, як з'являються перепади напруги, і з чим вони пов'язані. Залежать вони переважно від завантаженості трансформатора. На сьогоднішній день кількість електроприладів у житлових будинках постійно збільшується. Як наслідок, потреби в електриці неодмінно зростають.

Також слід враховувати, що до житлового будинку можуть бути прокладені кабелі, які давно застаріли. У свою чергу, квартирне проведення в більшості випадків не розраховане на великі навантаження. Щоб убезпечити свою техніку в будинку, слід детальніше ознайомитись із пристроєм стабілізаторів напруги, а також принципом їх роботи.

Які функції виконує стабілізатор?

Головним чином, імпульсний стабілізатор напруги служить контролером мережі. Усі стрибки при цьому відстежуються ним та усуваються. В результаті техніка отримує стабільну напругу. Електромагнітні перешкоди стабілізатором також враховуються, і роботу пристроїв не здатні вплинути. Таким чином, мережа позбавляється перевантажень, і випадки практично виключаються.

Влаштування простого стабілізатора

Якщо розглядати стандартну імпульсну напругу, то в ньому встановлюється лише один транзистор. Як правило, їх використовують виключно комутуючого типу, оскільки на сьогоднішній день вони вважаються більш ефективними. В результаті коефіцієнт корисної дії пристрою можна підняти.

Другим важливим елементом стабілізатора імпульсного напруги слід назвати діоди. У звичайній схемі їх можна зустріти не більше трьох одиниць. Поєднуються вони один з одним за допомогою дроселя. Для нормальної роботи транзисторів важливими є фільтри. Встановлюються вони на початку, а також наприкінці ланцюжка. При цьому блок регулювання відповідає за роботу конденсатора. Його невід'ємною частиною прийнято вважати резисторний дільник.

Як це працює?

Залежно від типу пристрою принцип дії імпульсного стабілізатора напруги може відрізнятися. Розглядаючи стандартну модель, можна сказати, що спочатку подається струм на транзистор. На цьому етапі відбувається його перетворення. Далі в роботу включаються діоди, до обов'язків яких входить передача сигналу на конденсатор. За допомогою фільтрів електромагнітні перешкоди відсіюються. Конденсатор у цей момент згладжує коливання напруги і по дроселю струм через резистивний дільник знову повертається транзисторам для перетворення.

Саморобні пристрої

Зробити імпульсний стабілізатор напруги своїми руками можна, але вони матимуть малу потужність. При цьому резистори встановлюються звичайні. Якщо використовувати прилад більше одного транзистора, можна досягти високого коефіцієнта корисної дії. Важливим завданням у цьому плані є встановлення фільтрів. Саме вони впливають на чутливість приладу. У свою чергу, габарити пристрою зовсім не важливі.

Стабілізатори з одним транзистором

Імпульсний стабілізатор постійної напруги даного типу здатний похвалитися коефіцієнтом корисної дії на рівні 80%. Як правило, він функціонує тільки в одному режимі і може справлятися тільки з малими перешкодами в мережі.

Зворотній зв'язок у разі повністю відсутня. Транзистор у стандартній схемі стабілізатора імпульсного напруги функціонує без колектора. В результаті на конденсатор відразу подається велика напруга. Ще однією відмінністю приладів даного типу можна назвати слабкий сигнал. Вирішити цю проблему зможуть різноманітні підсилювачі.

В результаті можна досягти кращої працездатності транзисторів. Резистор пристрою в ланцюзі в обов'язковому порядку повинен знаходитися У цьому випадку можна буде домогтися більш якісної роботи пристрою. В якості регулювальника ланцюга імпульсний стабілізатор постійної напруги має блок контролю. Цей елемент здатний послаблювати, а також підвищувати потужність транзистора. Відбувається це явище за допомогою дроселів, які пов'язані з діодами у системі. Навантаження на регулятор контролюється крізь фільтри.

Стабілізатори напруги ключового типу

Навіщо встановлювати компенсатори?

Компенсатори здебільшого грають у стабілізаторі другорядну роль. Пов'язана вона із регулюванням імпульсів. Головним чином із цим справляються транзистори. Однак свої переваги у компенсаторів все ж таки є. У цьому випадку багато залежить від того, які прилади підключені до джерела живлення.

Якщо говорити про радіообладнання, то тут потрібний особливий підхід. Пов'язаний він із різними коливаннями, які сприймаються таким приладом інакше. У цьому випадку компенсатори здатні допомогти транзисторам у стабілізації напруги. Встановлення додаткових фільтрів у ланцюзі, як правило, ситуацію не покращує. При цьому вони дуже впливають на коефіцієнт корисної дії.

Недоліки гальванічних розв'язок

Гальванічні розв'язки встановлюються передачі сигналу між важливими елементами системи. Основною їх проблемою можна назвати неправильну оцінку вхідної напруги. Відбувається це найчастіше із застарілими моделями стабілізаторів. Контролери в них не здатні швидко обробляти інформацію та підключати до роботи конденсатори. У результати діоди страждають насамперед. Якщо система фільтрації встановлюється за резисторами в електричному ланцюзі, вони просто згорають.

Імпульсні стабілізатори напруги останнім часом стають досить популярними завдяки компактним розмірам та порівняно високому ККД і найближчому майбутньому вони повністю витіснять старі та добрі аналогові схеми.
Зараз за пару доларів у Китаї можна придбати готовий модуль DC-DC перетворювача, який забезпечує регулювання вихідної напруги, має можливість обмежувати струм та працює у досить широкому діапазоні вхідних напруг.

Найбільш популярна мікросхема, де будуються такі стабілізатори – LM2596. Максимальна напруга до 35 вольт, при струмі до 3 ампер. Працює мікросхема в імпульсному режимі, нагрів на ній не дуже сильний при досить значних навантаженнях, компактна і коштує копійки.

Додаванням ОУ можна отримати і обмеження вихідного струму, скажу більше – стабілізацію струму, іншими словами – струм триматиметься на рівні заданого незалежно від напруги.
Такі модулі досить компактні і можна вбудувати в будь-яку саморобну конструкцію блоку живлення та зарядного пристрою. Підключивши на вихід цифровий вольтметр ми знатимемо якусь напругу на виході. .

На самій платі є підстроювальні резистори для обмеження вихідного струму та регулювання напруги. Діапазон вхідної напруги дозволить впроваджувати такий модуль в автомобіль безпосередньо підключивши до бортової мережі 12 Вольт. Що нам це дасть?

1. 1) Універсальний зарядний пристрій із великим струмом. Можна заряджати будь-які смартфони, планшети, плеєри та інші програвачі, навігатори та портативні охоронні системи, причому до пристрою можна підключати скажімо 2-3 смартфони одночасно і всі вони однаково добре заряджатимуться.

2. 2) Підключіть пристрій, скажімо до адаптера ноутбука, виставте на виході 14-15 Вольт і сміливо заряджайте акумулятор! Три ампера досить великий струм для зарядки автомобільного акумулятора, правда саму плату перетворювача доведеться встановити на невеликий радіатор.

З корисністю плати однозначно не можна посперечатися, та й коштує копійки (не більше 2-3 доларів США). Цю ж плату можна виготовити в домашніх умовах, за наявності певних компонентів, правда готовий модуль коштує набагато дешевше, ніж окремі компоненти.

Здвоєний операційний підсилювач, першому елементі оу побудований вузол обмеження струму, другою – індикація. Сама мікросхема з обв'язкою, силовий дросель, який може бути намотаний самостійно та пара регуляторів. Схема майже не перегрівається при малих струмах - але маленьке тепловідведення не завадить.

На мікросхемі LM2596 можна зібрати стабілізоване джерело напруги, на основі якого легко зробити простий та надійний імпульсний лабораторний блок живлення із захистом від короткого замикання.

Давайте спочатку розглянемо докладніше LM2596:

Цоколівка LM2596T

Цоколівка LM2596S

Характеристики мікросхеми

• Вхідна напруга – від 2.4 до 40 вольт (до 60 вольт у версії HV)
• Вихідна напруга - фіксована або регульована (від 1.2 до 37 вольт)
• Вихідний струм – до 3 ампер (при хорошому охолодженні – до 4.5А)
• Частота перетворення – 150кГц
• Корпус - TO220-5 (монтаж в отвори) чи D2PAK-5 (поверхневий монтаж)
• ККД - 70-75% на низьких напругах, до 95% на високих.

Детальніше:

Характеристики LM2596-3.3

Характеристики LM2596-5.0

Характеристики LM2596-12

Характеристики LM2596-ADJ

Структурна схема LM2596

Схема включення LM2596

Схема стабілізатора напруги 5В з полярним інвертором на LM2596-5.0

Регульований стабілізатор напруги побудований на основі мікросхеми LM2596T.

Ця мікросхема працює в імпульсному режимі, завдяки чому має високий ККД, що дозволяє пропускати струм до 2 А не потребуючи тепловідведення. Для навантаження із споживанням струму більше 2 А необхідно застосувати тепловідведення (радіатор) із площею поверхні не менше 100 см2. Тепловідведення кріпиться до мікросхеми з використанням теплопровідної пасти типу КПТ-8.

Пристрій можна налаштувати на будь-яку іншу фіксовану вихідну напругу. Для цього потрібно замінити R2 на резистор, що розраховується за такою формулою: R2 = R1 * (Vвих / Vref-1) або R2 = 1210 * (Vвих / 1.23 - 1)

LM2596 має тепловий захист по перегріву, а також обмеження вихідного струму до 3 А. У випадку, якщо запитувати цей пристрій від знижуючого мережевого трансформатора з діодним мостом, то ємність конденсатора С1 необхідно підвищити до 2200 мкФ. Як захисний діод D1 можна застосувати діод шоттки типу 1N5822.

Також потрібно уважно стежити, щоб схема на ОУ не збудилася і не перейшла в режим генерації. Для цього намагайтеся зменшити довжину всіх провідників, а особливо доріжки, підключеної до вив. 2 LM2596. Не розташовуйте ОУ поблизу цієї доріжки, а діод і конденсатор фільтра розташуйте ближче до корпусу LM2596 і забезпечте мінімальну площу петлі землі, підключеної до цих елементів.

Готовий стабілізатор напруги на основі мікросхеми LM2596S та LM317з цифровим індикатором вхідної чи вихідної напруги.

П О П У Л Я Р Н О Е:

Розглянувши структурну схему блоку живлення типу AT, її можна розділити на кілька основних елементів.

Робота практично будь-якої електронної схеми вимагає наявності одного або кількох джерел постійної напруги, причому в переважній більшості випадків використовується стабілізована напруга. У стабілізованих джерелах живлення застосовуються або лінійні, або стабілізатори імпульсні. Кожен тип перетворювачів має свої переваги і, відповідно, свою нішу у схемах електроживлення. До безперечних переваг імпульсних стабілізаторів відносяться більш високі значення коефіцієнта корисної дії, можливість отримання високих значень вихідного струму і висока ефективність при великій різниці між значеннями вхідної та вихідної напруги.

Принцип роботи знижувального імпульсного стабілізатора

На малюнку 1 представлена ​​спрощена схема силової частини ІПСП.

Мал. 1.

Польовий транзистор VT здійснює високочастотну комутацію струму. В імпульсних стабілізаторах транзистор працює у ключовому режимі, тобто може перебувати в одному з двох стабільних станів: повної провідності та відсікання. Відповідно, робота ІПСП складається з двох фаз, що змінюють один одного — фази накачування енергії (коли транзистор VT відкритий) і фази розряду (коли транзистор закритий). Робота ІПСП ілюструється малюнком 2.

Мал. 2. Принцип роботи ІПСП: а) фаза накачування; б) фаза розряду; в) часові діаграми

Фаза накачування енергії продовжується протягом інтервалу часу Т І. У цей час ключ замкнутий і проводить струм I VT. Далі струм проходить через дросель L до навантаження R, шунтованого вихідним конденсатором C OUT . У першій частині фази конденсатор віддає струм I C навантаження, а в другій половині - відбирає частину струму I L від навантаження. Величина струму I L безперервно збільшується і відбувається накопичення енергії в дроселі L, а в другій частині фази - і на конденсаторі C OUT . Напруга на діоді V D дорівнює U IN (за винятком падіння напруги на відкритому транзисторі), і діод протягом цієї фази закритий струм через нього не протікає. Струм I R , що протікає через навантаження R, постійний (різниця I L - I C), відповідно, напруга U OUT на виході також постійно.

Фаза розряду протікає протягом часу Т П: ключ розімкнуто і струм через нього не протікає. Відомо, що струм, що протікає через дросель, не може миттєво змінитися. Струм IL, постійно зменшуючись, протікає через навантаження та замикається через діод V D . У першій частині цієї фази конденсатор C OUT продовжує накопичувати енергію, відбираючи частину струму I L від навантаження. У другій половині фази розряду конденсатор теж починає віддавати струм у навантаження. Протягом цієї фази струм I R, що протікає через навантаження, також незмінний. Отже, напруга на виході також стабільна.

Основні параметри

В першу чергу зазначимо, що за функціональним виконанням розрізняють ІПСН з регульованою і з фіксованою вихідною напругою. Типові схеми включення обох типів ИПСН представлені малюнку 3. Відмінність з-поміж них у тому, що у першому випадку резисторний дільник, визначальний значення вихідної напруги, перебуває поза інтегральної схеми, тоді як у другому — всередині. Відповідно, у першому випадку значення вихідної напруги задається користувачем, а в другому встановлюється при виготовленні мікросхеми.

Мал. 3. Типова схема включення ІПСП: а) з регульованою і б) з фіксованою вихідною напругою

До найважливіших параметрів ІПСП відносять:

• Діапазон допустимих значень вхідної напруги U IN_MIN …U IN_MAX .
• Максимальне значення вихідного струму (струму у навантаженні) I OUT_MAX .
• Номінальне значення вихідної напруги U OUT (для ІПСП з фіксованим значенням вихідної напруги) або діапазон значень вихідної напруги U OUT_MIN …U OUT_MAX (для ІПСП з регульованим значенням вихідної напруги). Часто у довідкових матеріалах вказується, що максимальне значення вихідної напруги U OUT_MAX дорівнює максимальному значенню вхідної напруги U IN_MAX . Насправді це зовсім так. У будь-якому випадку вихідна напруга менша за вхідну, як мінімум, на величину падіння напруги на ключовому транзисторі U DROP . При значенні вихідного струму, що дорівнює, наприклад, 3А, величина U DROP складе 0,1 ... 1,0 В (залежно від обраної мікросхеми ИПСН). Приблизна рівність U OUT_MAX і U IN_MAX можлива лише за дуже малих значень струму навантаження. Відзначимо також, що і сам процес стабілізації вихідної напруги передбачає втрату кількох відсотків вхідної напруги. Декларована рівність U OUT_MAX і U IN_MAX слід розуміти тільки в тому сенсі, що інших причин зниження U OUT_MAX крім тих, що зазначені вище в конкретному виробі, не існує (зокрема, немає явних обмежень на максимальну величину коефіцієнта заповнення D). Як U OUT_MIN зазвичай вказують значення напруги зворотний зв'язок U FB . Насправді U OUT_MIN завжди має бути на кілька відсотків вище (з тих самих міркувань стабілізації).
• Точність встановлення вихідної напруги. Задається у відсотках. Має сенс лише у випадку ІПСП з фіксованим значенням вихідної напруги, оскільки в цьому випадку резистори дільника напруги знаходяться всередині мікросхеми, а їх точність є параметром, контрольованим при виготовленні. У випадку ІПСН з регульованим значенням вихідної напруги параметр втрачає сенс, оскільки точність резисторів дільника вибирається користувачем. У цьому випадку можна говорити лише про величину коливань вихідної напруги щодо деякого середнього значення (точність відпрацювання сигналу зворотного зв'язку). Нагадаємо, що в будь-якому випадку цей параметр для імпульсних стабілізаторів напруги в 3-5 разів гірший у порівнянні з лінійними стабілізаторами.
• Падіння напруги на відкритому транзисторі R DS_ON. Як зазначалося, з цим параметром пов'язане неминуче зменшення напруги на виході стосовно вхідної напруги. Але важливіше інше- чим вище значення опору відкритого каналу, тим більше енергії розсіюється як тепла. Для сучасних мікросхем ІПСП хорошим значенням є величини до 300мОм. Вищі значення притаманні мікросхем, розроблених щонайменше п'ять років тому. Зауважимо також, що R DS_ON не є константою, а залежить від величини вихідного струму I OUT .
• Тривалість робочого циклу Т і частота комутації FSW. Тривалість робочого циклу Т визначається як сума інтервалів ТІ (тривалість імпульсу) та ТП (тривалість паузи). Відповідно, частота F SW - Величина, зворотна тривалості робочого циклу. Для деякої частини ІПСН частота комутації - Постійна величина, що визначається внутрішніми елементами інтегральної схеми. Для іншої частини ІПСП частота комутації задається зовнішніми елементами (як правило, зовнішнім RC-ланцюгом), в цьому випадку визначається діапазон допустимих частот F SW_MIN ... F SW_MAX . Більш висока частота комутації дозволяє застосовувати дроселі з меншим значенням індуктивності, що позитивно впливає і на габарити виробу, і на його ціні. У більшості ІСПН використовується ШІМ-регулювання, тобто величина Т постійна, а в процесі стабілізації регулюється величина Т І. Істотно рідше використовується частотно-імпульсна модуляція (ЧИМ-регулювання). В цьому випадку величина Т І стала, а стабілізація здійснюється за рахунок зміни тривалості паузи Т П. Таким чином величини Т і, відповідно, F SW стають змінними. У довідкових матеріалах у цьому випадку зазвичай задається частота, що відповідає шпаруватості, що дорівнює 2. Зазначимо, що слід відрізняти діапазон частот F SW_MIN …F SW_MAX регульованої частоти від «воріт» допуску на фіксовану частоту, оскільки величина допуску часто вказується в довідкових матеріалах виробника.
• Коефіцієнт заповнення D, який дорівнює процентно
  му відношенню Т І до Т. Часто в довідкових матеріалах вказують «до 100%». Очевидно, що це перебільшення, оскільки якщо ключовий транзистор постійно відкритий, відсутній процес стабілізації. У більшості моделей, випущених на ринок приблизно до 2005 року, через низку технологічних обмежень значення цього коефіцієнта було обмежене зверху величиною 90%. У сучасних моделях ИПСН більшість цих обмежень подолано, але фразу «до 100%» годі розуміти дослівно.
• Коефіцієнт корисної дії (чи ефективність). Як відомо, для лінійних стабілізаторів (принципово знижуючих) це відсоткове відношення вихідної напруги до вхідної, оскільки величини вхідного та вихідного струму майже рівні. Для імпульсних стабілізаторів вхідний і вихідний струми можуть істотно відрізнятися, тому як ККД береться відсоткове відношення вихідної потужності до вхідної. Строго кажучи, для однієї і тієї ж мікросхеми ІПСН значення цього коефіцієнта може суттєво відрізнятися залежно від співвідношення значень вхідної та вихідної напруги, величини струму у навантаженні та частоти комутації. Для більшості ІПСН максимум ККД досягається при значенні струму в навантаженні близько 20 ... 30% від максимально допустимого значення, тому чисельне значення не дуже інформативно. Доцільніше користуватися графіками залежності, що наводяться у довідкових матеріалах виробника. На малюнку 4 як приклад наведено графіки ефективності для стабілізатора . Очевидно, що використання високовольтного стабілізатора при невисоких реальних значеннях вхідної напруги не є добрим рішенням, оскільки значення ККД істотно падає при наближенні струму навантаження до максимального значення. Друга група графіків ілюструє кращий режим, оскільки значення ефективності слабо залежить від коливань вихідного струму. Критерієм правильного вибору перетворювача є навіть не так чисельне значення ККД, скільки саме плавність графіка функції від струму в навантаженні (відсутність «завалу» в області великих струмів).

Мал. 4.

Наведеним переліком весь список параметрів ІПСП не вичерпується. З менш значущими параметрами можна ознайомитись у літературі.

Спеціальні функції
імпульсних стабілізаторів напруги

У більшості випадків ІПСП мають ряд додаткових функцій, що розширюють можливості їх практичного застосування. Найчастіше зустрічаються такі:

• Вхід відключення «On/Off» або «Shutdown» дозволяє розімкнути ключовий транзистор і, таким чином, відключити напругу від навантаження. Як правило, використовується для дистанційного керування групою стабілізаторів, реалізуючи певний алгоритм подачі та відключення окремих напруг у системі електроживлення. Крім того, може застосовуватися як вхід для аварійного вимкнення живлення за нештатної ситуації.
• Вихід нормального стану "Power Good" - узагальнюючий вихідний сигнал, що підтверджує, що ІПСП знаходиться в нормальному робочому стані. Активний рівень сигналу формується після завершення перехідних процесів від подачі вхідної напруги і, як правило, використовується або як ознака справності ІСН, або для запуску наступних ІСПН у послідовних системах електроживлення. Причини, з яких цей сигнал може бути скинутий: падіння вхідної напруги нижче за певний рівень, вихід вихідної напруги за певні рамки, відключення навантаження за сигналом Shutdown, перевищення максимального значення струму в навантаженні (зокрема, факт короткого замикання), температурне відключення навантаження та деякі інші. Чинники, які враховуються для формування цього сигналу, залежить від конкретної моделі ИПСН.
• Виведення зовнішньої синхронізації «Sync» забезпечує можливість синхронізації внутрішнього генератора із зовнішнім синхросигналом. Використовується для спільної синхронізації декількох стабілізаторів у складних системах електроживлення. Зазначимо, що частота зовнішнього синхросигналу не обов'язково повинна збігатися з власною частотою FSW, однак вона повинна лежати в допустимих межах, обумовлених у матеріалах виробника.
• Функція плавного старту "Soft Start" забезпечує відносно повільне наростання вихідної напруги при подачі напруги на вхід ІПСН або при включенні заднього фронту сигналу Shutdown. Ця функція дозволяє зменшити кидки струму в навантаженні при включенні мікросхеми. Параметри роботи схеми плавного старту найчастіше фіксуються і визначаються внутрішніми компонентами стабілізатора. У деяких моделях ІПСП є спеціальний висновок Soft Start. У цьому випадку параметри запуску визначаються номіналами зовнішніх елементів (резистор, конденсатор, ланцюг RC), підключених до цього висновку.
• Температурний захист призначений для запобігання виходу з ладу мікросхеми у разі перегріву кристала. Підвищення температури кристала (незалежно від причини) вище за певний рівень викликає спрацювання захисного механізму — зниження струму в навантаженні або його повне відключення. Це запобігає подальшому підвищенню температури кристала та пошкодженню мікросхеми. Повернення схеми в режим стабілізації напруги можливе лише після остигання мікросхеми. Зазначимо, що температурний захист реалізовано у переважній більшості сучасних мікросхем ІПСП, проте окрема індикація саме цього стану не передбачена. Інженер повинен сам здогадатися, що причиною відключення навантаження є саме спрацювання температурного захисту.
• Захист струму полягає або в обмеженні величини струму, що протікає через навантаження, або у відключенні навантаження. Захист спрацьовує, якщо опір навантаження виявляється занадто малим (наприклад, має місце коротке замикання), а струм перевищує певне граничне значення, що може призвести до виходу мікросхеми з ладу. Як і попередньому випадку, діагностика цього стану є турботою інженера.

Останнє зауваження щодо параметрів та функцій ІССП. На рисунках 1 і 2 є розрядний діод V D . У досить старих стабілізаторах цей діод реалізований саме як зовнішній кремнієвий. Недоліком такого схемотехнічного рішення було високе падіння напруги (приблизно 0,6) на діоді у відкритому стані. У пізніших схемах використовувався діод Шоттки, падіння напруги у якому становило приблизно 0,3 У. У розробках останніх п'яти років ці рішення використовуються лише високовольтних перетворювачів. У більшості сучасних виробів розрядний діод виконується у вигляді внутрішнього польового транзистора, що працює у протифазі з ключовим транзистором. У цьому випадку падіння напруги визначається опором відкритого каналу і за невеликих струмів навантаження дає додатковий виграш. Стабілізатори, що використовують це схемотехнічне рішення, називають синхронними. Звернемо увагу, що можливість роботи від зовнішнього синхросигналу і термін синхронний не пов'язані ніяким чином.

з малою вхідною напругою

Враховуючи той факт, що в номенклатурі STMicroelectronics є приблизно 70 типів ІПСН із вбудованим ключовим транзистором, має сенс систематизувати все різноманіття. Якщо як критерій взяти такий параметр, як максимальне значення вхідної напруги, можна виділити чотири групи:

1. ІПСП з малою вхідною напругою (6 В і менше);

2. ІПСП з вхідною напругою 10...28 В;

3. ІПСП з вхідною напругою 36...38 В;

4. ІПСП з високою вхідною напругою (46 В і вище).

Параметри стабілізаторів першої групи наведено у таблиці 1.

Таблиця 1. ІПСН з малою вхідною напругою

Ще 2005 року лінійка стабілізаторів цього типу була неповною. Вона обмежувалася мікросхемами. Ці мікросхеми мали хороші характеристики: високою точністю і ККД, відсутністю обмежень на значення коефіцієнта заповнення, можливістю регулювання частоти при роботі від зовнішнього синхросигналу, прийнятним значенням R DSON . Все це робить ці вироби затребуваними і в даний час. Істотний недолік – невисокі значення максимального вихідного струму. Стабілізатори на струми навантаження від 1 А і вище в лінійці ІПСН низьковольтних компанії STMicroelectronics були відсутні. Надалі цю прогалину ліквідували: спочатку з'явилися стабілізатори на 1,5 і 2 А ( і ), а останніми роками — на 3 і 4 А ( , та ). Крім підвищення вихідного струму, збільшилася частота комутації, знизилося значення опору відкритого каналу, що позитивно позначилося споживчих властивостях кінцевих виробів. Відзначимо також появу мікросхем ІПСН з фіксованою вихідною напругою ( і ) — у лінійці STMicroelectronics таких виробів не дуже багато. Остання новинка – зі значенням RDSON у 35 мОм – це один із найкращих показників у галузі, що у поєднанні з широкими функціональними можливостями обіцяє цьому виробу гарні перспективи.

Основна сфера застосування виробів даного типу - мобільні пристрої з батарейним живленням. Широкий діапазон вхідної напруги забезпечує стійку роботу апаратури за різних рівнів заряду акумуляторної батареї, а високий ККД мінімізує перетворення вхідної енергії на тепло. Остання обставина визначає переваги імпульсних стабілізаторів у порівнянні з лінійними саме в цій галузі користувацьких додатків.

Загалом дана група у компанії STMicroelectronics розвивається досить динамічно — приблизно половина всієї лінійки з'явилася на ринку в останні 3-4 роки.

Імпульсні знижувальні стабілізатори
з вхідною напругою 10...28 В

Параметри перетворювачів цієї групи наведено у таблиці 2.

Таблиця 2. ІПСН із вхідною напругою 10...28 В

Вісім років тому ця група була представлена ​​лише мікросхемами , і з вхідною напругою до 11 Ст. Діапазон від 16 до 28 В залишався не заповненим. З усіх перерахованих модифікацій в даний час в лінійці є тільки , Проте параметри цього ИПСН сучасним вимогам відповідають слабо. Можна вважати, що за цей час номенклатура цієї групи оновлена ​​повністю.

В даний час база цієї групи - мікросхеми . Дана лінійка розрахована на весь діапазон струмів навантаження від 0,7 до 4 А, забезпечує повний комплект спеціальних функцій, частота комутації регулюється в досить широких межах, відсутні обмеження значення коефіцієнта заповнення, значення ККД і опору відкритого каналу відповідають сучасним вимогам. Істотних мінусів у цій серії два. По-перше, відсутній вбудований розрядний діод (крім мікросхем із суфіксом D). Точність регулювання вихідної напруги досить висока (2%), але наявність трьох і більше зовнішніх елементів у ланцюзі компенсації зворотного зв'язку не можна віднести до переваг. Мікросхеми і відрізняються від серії L598x тільки іншим діапазоном вхідних напруг, але схемотехніка, а, отже, переваги та недоліки аналогічні до сімейства L598x. Як приклад на малюнку 5 представлена ​​типова схема включення триамперної мікросхеми. Є розрядний діод D, і елементи ланцюга компенсації R4, C4 і C5. Входи F SW і SYNCH залишаються вільними, отже перетворювач працює від внутрішнього генератора з частотою F SW , заданої за замовчуванням.