Меню

Импульсный стабилизатор схема электрическая



Импульсный стабилизатор напряжения

Преобразование напряжения необходимо для того, чтобы реализовать возможность работы различных устройств от сети переменного тока. Кроме того, питание электронных схем разными величинами напряжения вынуждает выполнять не только превращение переменного электричества в постоянное, но и повышение или понижение разности потенциалов до нужных параметров.

Импульсный преобразователь напряжения

Основы импульсного преобразования

Работа подобных устройств, их ещё называют импульсными стабилизаторами (ИС), основана на ключевой стабилизации. В схеме имеется элемент, который выполняет регулировку выходных параметров за счёт своего запирания-отпирания.

В обычную трансформаторную схему входит трансформатор низкой частоты, имеющий первичную и вторичную обмотку. Импульсное преобразование тоже подразумевает наличие трансформатора, но уже высокочастотного.

Внимание! Высокочастотные импульсные трансформаторы обладают меньшими габаритами, дешевле, но их мощность выше.

Импульсные преобразователи напряжения (ИПН) допускают использование схем трёх типов:

  • повышающей;
  • понижающей;
  • инверторной.

ИПН обладают высоким КПД и малыми габаритами. Они включают в свой состав следующие элементы:

  • блок питания (источник питания);
  • ключ – элемент коммутации;
  • накопитель энергии индуктивной природы – дроссель, катушка;
  • диод блокировки;
  • фильтр выходного напряжения – конденсатор большой емкости.

Фильтр обычно включается параллельно нагрузке.

Принцип работы

Импульсный стабилизатор напряжения использует принцип сравнения опорного напряжения с напряжением на выходе. Схема позволяет регулировать длительность открытия ключа. Входное напряжение от источника питания (ИП) пропускается ключом по сигналу управления заданными частями (импульсами) с учётом того, что средний потенциал (пониженный или повышенный) был стабильным.

Блок-схема ИС

Сравнение с линейным стабилизатором

Чтобы сравнить два принципа преобразования, нужно вспомнить, что линейные стабилизаторы (ЛС) – это обычно делитель напряжения. У него нестабильный потенциал подаётся на вход делителя, а стабильный – снимается со второго плеча (нижнего). Принцип стабилизации заключается в постоянном изменении сопротивления верхнего плеча схемы таким образом, чтобы на нижнем оно оставалось стабильным.

К сведению. Когда отношение Uвх/Uвых велико, то КПД линейного стабилизатора очень низкий. Это связано с потерями энергии на регулирующем резисторе. Он греется, оттого часть мощности на входе теряется.

У таких сборок есть свои плюсы, а именно: простота схемы, минимум элементов и неимение помех. По сравнению с линейными, импульсные стабилизаторы (ИС) сложнее, но работают стабильнее при правильно подобранной схеме.

В ИС могут возникать автоколебания, которые приводят к частичной неработоспособности или полному выходу преобразователя из строя. Это происходит в случае, когда импеданс источника Uвх превысит значение импеданса ИС, тогда при снижении Uвх повышается ток на входе.

Функциональные схемы по типу цепи управления

По виду управляющей цепи можно выделить несколько рабочих схем, включающих в себя:

  • триггер Шмитта;
  • ШИМ – широтно-импульсную модуляцию;
  • ЧИМ – частотно-импульсную модуляцию.

Важно! Импульсные стабилизаторы – это устройство с автоматическим регулированием, ориентирующееся на опорное напряжение, которое служит эталонным параметром для схемы регулирования.

Блок-схемы ИПН с триггером Шмитта и ШИМ

С триггером Шмитта

При таком построении схемы стабилизации верхний и нижний пороги срабатывания триггера сравниваются с Uвх. Для этой цели используется компаратор – устройство сравнения. Ключ размыкается в момент, когда выходное напряжение сравняется с напряжением срабатывания триггера (Umax). Энергия, накопившаяся за это время, выдаётся на нагрузку, и Uвых после этого спадает. Как только её величина достигнет Umin (нижнего порога), триггер переключается, замыкая ключ.

Такой способ называется стабилизацией с двухпозиционной регулировкой или релейной. Схемы с триггером Шмитта имеют на выходе устройства напряжения с величиной пульсации, обусловленной разностью порогов срабатывания. Эту пульсацию практически устранить невозможно.

В ИС с триггером Шмитта частотное преобразование зависит от Uвх и Iн (тока нагрузки) и является переменным.

С широтно-импульсной модуляцией

На выходе таких схем получают Uср (среднее), на которое влияют скважность импульсов и Uвх. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой схему сравнения Uвых и Uоп (опорного) путём вычитания и последующего усиления. Результат поступает на модулятор, который подстраивает свои параметры в зависимости от этого результата.

Модулятор изменяет (в сторону увеличения) отношение времени, при котором ключ открыт, к периоду тактового импульса генератора, если Uвых С частотно-импульсной модуляцией

Подобные сборки отличаются тем, что скважность импульсов (частота) напрямую зависит от понижения Uвх или увеличения Iн. При этом длительность отпирающего ключ импульса неизменна. Частота подачи импульсов подчинена сигналу разности Uвых и Uоп. Моностабильный мультивибратор, имеющий управляемую запускающую частоту, может смело справиться с подачей команд на ключ.

Моностабильный мультивибратор на транзисторах

Основные схемы силовой части

В зависимости от назначения ИС, можно выделить три базовых модели его построения:

  • понижающая;
  • повышающая;
  • инвертирующая.

Независимо от конструктивного исполнения и назначения ИС, устройствами, использующимися в роли ключа, могут быть:

  • тиристор;
  • транзистор (биполярный или полевой).

Основная задача подобного элемента – отрываться или закрываться по команде, поступающей на управляющий электрод.

Преобразователь с понижением напряжения

Обычно уменьшить величину напряжения необходимо чаще, потому такие ИС более востребованы.

Простейшая схема понижающего ИС

У понижающего стабилизатора напряжения, приведённого на схеме, ключ на полевом транзисторе VT1 откроется при подаче на него управляющего напряжения. Ток от плюсовой клеммы будет поступать на нагрузку через сглаживающий дроссель L1. Включенный параллельно в цепь диод VD1 в данный момент не пропускает ток. После размыкания ключа цепь тока следующая: дроссель L1 – нагрузка – общий провод – диод VD1 – дроссель L1. При этом ток, проходящий через дроссель, не прекратится мгновенно, а будет постепенно уменьшаться.

Важно! У дросселей, имеющих большую индуктивность, он не становится равным нулю до начала следующего открытия ключа. Установка таких элементов нецелесообразна из-за увеличения габаритов и стоимости.

Конденсатор C1 в это время будет разряжаться на нагрузку и поддерживать U вых. Емкость C вместе с индуктивностью L образует фильтр, снижающий размах пульсаций.

Преобразователь с повышением напряжения

В отличие от понижения Uвх, этот тип схем используют для питания цепей нагрузки, которым для работы необходимо напряжение выше, чем у источника.

Повышающий ИС

Компоненты схемы те же самые, но включены иначе. При открытом транзисторе диод закрыт, и на дросселе линейно нарастает ток. При запирании ключа ток начинает двигаться по цепи: плюсовая клемма – дроссель L1 – диод VD1 – нагрузка – минусовая клемма. Конденсатор C1 в это время будет заряжаться. Он будет поддерживать ток на нагрузке во время своего разряда на неё при следующем открытии ключа.

Инвертирующий преобразователь

Подобная сборка также не имеет гальванической развязки между входным и выходным каскадами. В ней совсем иное включение дросселя, конденсатора и нагрузки. Они расположены параллельно.

Инвертирующий ИС

При открытом ключе VT1 ток протекает по цепи: плюсовая клемма – транзистор – дроссель – минусовая клемма. Дроссель накапливает энергию при содействии магнитного поля. Когда транзистор закрывается, то цепь прохождения тока меняется: дроссель – конденсатор C1 – диод VD1 – дроссель. Энергия дросселя и энергия конденсатора будут полностью отдаваться нагрузке. Амплитуда пульсации целиком зависит от ёмкости C1. В этот момент напряжение на нагрузке не меняется, несмотря на то, что ток через С1 спадает почти до нуля.

Кстати. Выходное напряжение у инвертирующих ИС может отличаться от напряжения источника питания, как в большую, так и в меньшую сторону.

Влияние диода на КПД

Включенный в электрическую цепь диод вызывает на себе падение напряжения от 0,4 до 0,7 В. При токе от нескольких ампер и низком Uвых на элементе происходит потеря мощности, что приводит к снижению КПД. Применяют альтернативный вариант – замену диода на полевой транзистор. Подбирают такой, чтобы в открытом состоянии падение напряжения на нём было минимальным.

Внимание! Можно в схемах вместо диода поставить ещё один ключ, который будет работать в противофазе с основным.

Гальваническая развязка

Чтобы обезопасить человека при эксплуатации ИС, применяют гальваническую развязку. Для этого включают в схему разделительный трансформатор или дроссель с дополнительной обмоткой. На рабочих частотах 20 кГц – 1 МГц они не столь габаритны, как трансформаторы для частоты переменного тока 50 Гц. В управляющих цепях для развязки устанавливают оптроны (оптопары).

Особенности использования

Импульсные стабилизаторы могут использоваться как драйверы для светодиодов и led-ламп. Кроме того, их применяют в различных устройствах, таких как:

  • блоки питания ЖК телеприёмников;
  • оборудование навигации;
  • источники питания для компьютеров и устройств цифровых систем.

Импульсные стабилизаторы используют для зарядных устройств и преобразования переменного тока в постоянное электричество.

Фильтрация импульсных помех

Сильные помехи, издаваемые импульсным стабилизатором напряжения (ИСН) в моменты коммутации ключа (броски тока и напряжения), необходимо подавлять. Для этого требуется применять фильтры и размещать их на входе и выходе.

Входное сопротивление

У ИСН, работающих под нагрузкой, при увеличении Uвх уменьшается ток на входе (Iвх). Это значит его входное сопротивление отрицательно дифференциальное. При подключении ИСН к источникам, у которых внутреннее сопротивление велико, возможна нестабильная работа.

Использование в сетях переменного тока

Для подключения к источнику переменного тока перед ИСН устанавливают выпрямитель и фильтр. Эта зона, где возникает опасность поражения человека током. Элементы, входящие в эту зону, должны быть закрыты от прикосновения или отмечены маркером (графическое и цветовое предупреждение).

Читайте также:  Бестрансформаторный стабилизатор что это

Преимущества и недостатки

Все плюсы и минусы для импульсных стабилизаторов можно свести в одну таблицу.

Достоинства и недостатки ИСН

Преимущества ОС-регулирования

Обратная связь при регулировании напряжения в ИС является важной опцией для импульсных стабилизаторов. Она позволяет поддерживать на выходе устройства напряжение стабильной величины, чутко следя за бросками напряжения и тока. В ИСН применяется широкополосная ОС (чем шире интервал частот, тем меньше уровень пульсации в результате).

Доступность на рынке радиодеталей комплектующих для построения ИСН даёт возможность собрать своими руками любую из схем импульсных стабилизаторов. Использование в них готовых стабилизаторов на интегральных микросхемах (ИМС) и ключей на полевых транзисторах делает устройство максимально компактным.

Видео

Источник

1.7.4. Схема импульсного стабилизатора

1.7.4. Схема импульсного стабилизатора

Схема импульсного стабилизатора ненамного сложней обычного (рис. 1.9), но она более сложная в настройке. Поэтому недостаточно опытным радиолюбителям, не знающим правил работы с высоким напряжением (в частности, никогда не работать в одиночку и никогда не настраивать включенное устройство двумя руками — только одной!), не рекомендую повторять эту схему.

На рис. 1.9 представлена электрическая схема импульсного стабилизатора напряжения для зарядки сотовых телефонов.

Схема представляет собой блокинг-генератор, реализованный на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Диодный мост VD1 выпрямляет переменное сетевое напряжение, резистор R1 ограничивает импульс тока при включении, а также выполняет функцию предохранителя. Конденсатор С1 необязателен, но благодаря ему блокинг-генератор работает более стабильно, а нагрев транзистора VT1 чуть меньше (чем без С1).

При включении питания транзистор VT1 слегка приоткрывается через резистор R2, и через обмотку I трансформатора T1 начинает течь небольшой ток. Благодаря индуктивной связи, через остальные обмотки также начинает протекать ток. На верхнем (по схеме) выводе обмотки II положительное напряжение небольшой величины, оно через разряженный конденсатор С2 приоткрывает транзистор еще сильней, ток в обмотках трансформатора нарастает, и в итоге транзистор открывается полностью, до состояния насыщения.

Через некоторое время ток в обмотках перестает нарастать и начинает снижаться (транзистор VT1 все это время полностью открыт). Уменьшается напряжение на обмотке II, и через конденсатор С2 уменьшается напряжение на базе транзистора VT1. Он начинает закрываться, амплитуда напряжения в обмотках уменьшается еще сильней и меняет полярность на отрицательную. Затем транзистор полностью закрывается. Напряжение на его коллекторе увеличивается и становится в несколько раз больше напряжения питания (индуктивный выброс), однако благодаря цепочке R5, C5, VD4 оно ограничивается на безопасном уровне 400…450 В. Благодаря элементам R5, C5 генерация нейтрализуется не полностью, и через некоторое время полярность напряжения в обмотках снова меняется (по принципу действия типичного колебательного контура). Транзистор снова начинает открываться. Так продолжается до бесконечности в цикличном режиме.

На остальных элементах высоковольтной части схемы собраны регулятор напряжения и узел защиты транзистора VT1 от перегрузок по току. Резистор R4 в рассматриваемой схеме выполняет роль датчика тока. Как только падение напряжения на нем превысит 1…1,5 В, транзистор VT2 откроется и замкнет на общий провод базу транзистора VT1 (принудительно закроет его). Конденсатор С3 ускоряет реакцию VT2. Диод VD3 необходим для нормальной работы стабилизатора напряжения.

Стабилизатор напряжения собран на одной микросхеме — регулируемом стабилитроне DA1.

Для гальванической развязки выходного напряжения от сетевого используется оптрон VO1. Рабочее напряжение для транзисторной части оптрона берется от обмотки II трансформатора T1 и сглаживается конденсатором С4. Как только напряжение на выходе устройства станет больше номинального, через стабилитрон DA1 начнет течь ток, светодиод оптрона загорится, сопротивление коллектор-эмиттер фототранзистора VO 1.2 уменьшится, транзистор VT2 приоткроется и уменьшит амплитуду напряжения на базе VT1. Он будет слабее открываться, и напряжение на обмотках трансформатора уменьшится. Если же выходное напряжение, наоборот, станет меньше номинального, то фототранзистор будет полностью закрыт и транзистор VT1 будет «раскачиваться» в полную силу. Для защиты стабилитрона и светодиода от перегрузок по току, последовательно с ними желательно включить резистор сопротивлением 100…330 Ом.

Первый этап: первый раз включать устройство в сеть рекомендуется через лампу 25 Вт, 220 В, и без конденсатора С1. Движок резистора R6 устанавливают в нижнее (по схеме) положение. Устройство включают и сразу отключают, после чего как можно быстрей измеряют напряжения на конденсаторах С4 и С6. Если на них есть небольшое напряжение (согласно полярности!), значит, генератор запустился, если нет — генератор не работает, требуется поиск ошибки на плате и монтаже. Кроме того, желательно проверить транзистор VT1 и резисторы R1, R4.

Если все правильно и ошибок нет, но генератор не запускается, меняют местами выводы обмотки II (или I, только не обоих сразу!) и снова проверяют работоспособность.

Второй этап: включают устройство и контролируют пальцем (только не за металлическую площадку для теплоотвода) нагрев транзистора VT1, он не должен нагреваться, лампочка 25 Вт не должна светиться (падение напряжения на ней не должно превышать пары Вольт).

Подключают к выходу устройства какую-нибудь маленькую низковольтную лампу, например, рассчитанную на напряжение 13,5 В. Если она не светится, меняют местами выводы обмотки III.

И в самом конце, если все нормально работает, проверяют работоспособность регулятора напряжения, вращая движок подстроечного резистора R6. После этого можно впаивать конденсатор С1 и включать устройство без лампы-токоограничителя.

Минимальное выходное напряжение составляет около 3 В (минимальное падение напряжения на выводах DA1 превышает 1,25 В, на выводах светодиода — 1,5 В).

Если нужно меньшее напряжение, заменяют стабилитрон DA1 резистором сопротивлением 100…680 Ом. Следующим шагом настройки требуется установка на выходе устройства напряжения 3,9…4,0 В (для литиевого аккумулятора). Данное устройство заряжает аккумулятор экспоненциально уменьшающимся током (от примерно 0,5 А в начале заряда до нуля в конце (для литиевого аккумулятора емкостью около 1 А/ч это допустимо)). За пару часов режима зарядки аккумулятор набирает до 80 % своей емкости.

Особый элемент конструкции — трансформатор.

Трансформатор в этой схеме можно использовать только с разрезным ферритовым сердечником. Рабочая частота преобразователя довольно велика, поэтому для трансформаторного железа нужен только феррит. А сам преобразователь — однотактный, с постоянным подмагничиванием, поэтому сердечник должен быть разрезным, с диэлектрическим зазором (между его половинками прокладывают один-два слоя тонкой трансформаторной бумаги).

Лучше всего взять трансформатор от ненужного или неисправного аналогичного устройства. В крайнем случае его можно намотать самому: сечение сердечника 3…5 мм 2 , обмотка I — 450 витков проводом диаметром 0, 1 мм, обмотка II — 20 витков тем же проводом, обмотка III — 15 витков проводом диаметром 0, 6…0, 8 мм (для выходного напряжения 4…5 В). При намотке требуется строгое соблюдение направления намотки, иначе устройство будет плохо работать, или не заработает совсем (придется прикладывать усилия при налаживании — см. выше). Начало каждой обмотки (на схеме) вверху.

Транзистор VT1 — любой мощностью 1 Вт и больше, током коллектора не менее 0,1 А, напряжением не менее 400 В. Коэффициент усиления по току Ь 21 э должен быть больше 30. Идеально подходят транзисторы MJE13003, KSE13003 и все остальные типа 13003 любой фирмы. В крайнем случае, применяют отечественные транзисторы КТ940, КТ969. К сожалению, эти транзисторы рассчитаны на предельное напряжение 300 В, и при малейшем повышении сетевого напряжения выше 220 В они будут пробиваться. Кроме того, они боятся перегрева, т. е. требуется их установка на теплоотвод. Для транзисторов KSE13003 и MJE13003 теплоотвод не нужен (в большинстве случаев цоколевка — как у отечественных транзисторов КТ817).

Транзистор VT2 может быть любым маломощным кремниевым, напряжение на нем не должно превышать 3 В; это же относится и к диодам VD2, VD3. Конденсатор С5 и диод VD4 должны быть рассчитаны на напряжение 400…600 В, диод VD5 должен быть рассчитан на максимальный ток нагрузки. Диодный мост VD1 должен быть рассчитан на ток 1 А, хотя потребляемый схемой ток не превышает сотни миллиампер — потому что при включении происходит довольно мощный бросок тока, а увеличивать сопротивление резистора Я1для ограничения амплитуды этого броска нельзя — он будет сильно нагреваться.

Вместо моста VD1 можно поставить 4 диода типа 1N4004…4007 или КД221 с любым буквенным индексом. Стабилизатор DA1 и резистор R6 можно заменить на стабилитрон, напряжение на выходе схемы будет на 1,5 В больше напряжения стабилизации стабилитрона.

«Общий» провод показан на схеме только для упрощения графики, его нельзя заземлять и (или) соединять с корпусом устройства. Высоковольтная часть устройства должна быть хорошо изолирована.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

3.1.1. Электрическая схема электронных часов на ЖКИ

3.1.1. Электрическая схема электронных часов на ЖКИ Жидкокристаллический индикатор представляет собой две плоские пластинки из стекла, склеенные по периметру таким образом, чтобы между стеклами оставался промежуток, его заполняют специальными жидкими кристаллами.На

3.5.3. Расширенная схема акустического датчика

3.5.3. Расширенная схема акустического датчика Регулировка усиления слабых сигналов с микрофона ВМ1 осуществляется переменным резистором R6 (см. рис. 3.9). Чем меньше сопротивление данного резистора, тем больше усиление транзисторного каскада на транзисторе VT1. При

Читайте также:  Стойки заднего стабилизатора уаз патриот 2015

4.4.2. Электрическая схема таймера

4.4.2. Электрическая схема таймера При подключении ЭМТ к сети 220 В через ограничительный резистор R1 напряжение поступает на катушку К1 (имеющую сопротивление 3,9 кОм). С помощью системы шестеренок и приложенного к этой катушке напряжения (с помощью электромагнитной индукции)

2.6. Схема чувствительного видеоусилителя

2.6. Схема чувствительного видеоусилителя Тем, кто занимается применением схем видеоконтроля на ограниченном участке, будет полезен этот материал. Касаясь возможных вариантов обеспечения охраны в замкнутых помещениях, еще раз хочу отметить, что не всегда рентабельно

Проект 2: Схема интерфейса

Проект 2: Схема интерфейса Основой схемы интерфейса является дешифратор 4028. ИС 4028 считывает двоично-десятичный код логики низкого уровня с выхода ИС 74LS373, расположенной на плате УРР, и выдает соответствующие сигналы высокого уровня (см. таблицу соответствий

Проект 3: общая схема интерфейса УРР

Проект 3: общая схема интерфейса УРР Интерфейс УРР для робота-передвижки является специализированной схемой, предназначенной для конкретной цели. Следующая схема интерфейса (см. рис. 7.8) представляет собой более универсальное устройство, дающее возможность управлять

Начальная схема управления

Начальная схема управления На рис. 10.10 показан первый тестовый вариант схемы управления ШД. Для буферизации выходных сигналов с шин PIC 16F84 использованы шестнадцатеричные буферы типа 4050. Сигнал с выхода каждого буфера подается на транзистор NPN типа. В качестве таких

Электрическая схема

Электрическая схема Электрическая схема представляет собой электронный ключ, управляемый интенсивностью светового потока. Когда уровень средней окружающей освещенности мал (возможна подстройка порогового значения), то схема отключает питание двигателя редуктора.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ТРАНСПОРТА

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ТРАНСПОРТА Трехфазный ток с частотой 50 герц из силовой сети (1) через выключатель (2) поступает в трансформатор (3). Выпрямитель (4) преобразует переменный ток высокого напряжения в постоянный. Отрицательный полюс выпрямленного тока

«Фрегат Экоджет»: новая схема самолета и новая бизнес-схема

«Фрегат Экоджет»: новая схема самолета и новая бизнес-схема Авиасалон МАКС традиционно выступает смотровой площадкой новых идей в самолетостроении. ФПГ «Росавиаконсорциум» по собственной инициативе разрабатывает программу создания широкофюзеляжного

2.3. Структурная схема

2.3. Структурная схема Структурная схема импульсного блока питания персонального компьютера конструктива ATX приведена на рис. 2.1. Рис. 2.1. Структурная схема импульсного блока питания фирмы DTK конструктива ATXВходное переменное напряжение 220 В, 50 Гц поступает на входной

2.4. Принципиальная схема

2.4. Принципиальная схема Полная принципиальная схема бестрансформаторного источника питания с максимальной вторичной мощностью 200 Вт фирмы DTK представлена на рис. 2.2. Рис. 2.2. Принципиальная схема бестрансформаторного источника питания на 200 Вт фирмы DTKВсе элементы на

3.3. Структурная схема

3.3. Структурная схема Структурная схема импульсного блока питания для компьютеров типа AT/XT, содержащая типовой набор функциональных узлов, представлена на рис. 3.1. Модификации блоков питания могут иметь различия только в схемотехнической реализации узлов с сохранением

3.4. Принципиальная схема

3.4. Принципиальная схема Импульсные источники питания данного класса имеют несколько различных модификаций схемотехнической реализации отдельных вспомогательных узлов. Принципиальных различий в их рабочих характеристиках нет, а разнообразие объясняется множеством

Общая схема электрооборудования

Общая схема электрооборудования Электрооборудование автомобилей представляет собой сложную систему соединенных между собой электроприборово сигнализации, зажигания, предохранителей, контрольно – измерительных приборов, соединительных проводов. Рис.

Схема, устройство работа

Схема, устройство работа В механизм газораспределения входят: распределительный вал и его привод. Передаточные детали – толкатели с направляющими втулками, а при верхнем расположении клапанов еще штанги и коромысла, клапаны, их направляющие втулки и пружины, опорные

Источник

Стабилизатор тока светодиода

Статья-ликбез по стабилизаторам тока светодиодов и не только. Рассматриваются схемы линейных и импульсных стабилизаторов тока.

Стабилизатор тока для светодиода устанавливается во многие конструкции светильников. Светодиоды, как и все диоды имеют нелинейную вольт-амперную характеристику. Это означает, что при изменении напряжения на светодиоде, ток изменяется непропорционально. По мере увеличения напряжения, сначала ток растёт очень медленно, светодиод при этом не светится. Затем, при достижении порогового напряжения, светодиод начинает светиться и ток возрастает очень быстро. При дальнейшем увеличении напряжения, ток возрастает катастрофически и светодиод сгорает.

Пороговое напряжение указывается в характеристиках светодиодов, как прямое напряжение при номинальном токе. Номинальный ток для большинства маломощных светодиодов — 20 мА. Для мощных светодиодов освещения, номинальный ток может быть больше — 350 мА или более. Кстати, мощные светодиоды выделяют тепло и должны быть установлены на теплоотвод.

Для правильной работы светодиода, его надо питать через стабилизатор тока. Зачем? Дело в том, что пороговое напряжение светодиода имеет разброс. Разные типы светодиодов имеют разное прямое напряжение, даже однотипные светодиоды имеют разное прямое напряжение — это указано в характеристиках светодиода как минимальное и максимальное значения. Следовательно, два светодиода, подключенные к одному источнику напряжения по параллельной схеме будут пропускать разный ток. Этот ток может быть настолько разным, что светодиод может раньше выйти из строя или сгореть сразу. Кроме того, стабилизатор напряжения также имеет дрейф параметров (от уровня первичного питания, от нагрузки, от температуры, просто по времени). Следовательно, включать светодиоды без устройств выравнивания тока — нежелательно. Различные способы выравнивания тока рассмотрены отдельно. В этой статье рассматриваются устройства, устанавливающие вполне определённый, заданный ток — стабилизаторы тока.

Типы стабилизаторов тока

Стабилизатор тока устанавливает заданный ток через светодиод вне зависимости от приложенного к схеме напряжения. При увеличении напряжения на схеме выше порогового уровня, ток достигает установленного значения и далее не изменяется. При дальнейшем увеличении общего напряжения, напряжение на светодиоде перестаёт меняться, а напряжение на стабилизаторе тока растёт.

Поскольку напряжение на светодиоде определяется его параметрами и в общем случае неизменно, то стабилизатор тока можно назвать также стабилизатором мощности светодиода. В простейшем случае, выделяемая устройством активная мощность (тепло) распределяется между светодиодом и стабилизатором пропорционально напряжению на них. Такой стабилизатор называется линейным. Также существуют более экономичные устройства — стабилизаторы тока на базе импульсного преобразователя (ключевого преобразователя или конвертера). Они называются импульсными, поскольку внутри себя прокачивают мощность порциями — импульсами по мере необходимости для потребителя. Правильный импульсный преобразователь потребляет мощность непрерывно, внутри себя передаёт её импульсами от входной цепи к выходной и выдаёт мощность в нагрузку уже опять непрерывно.

Линейный стабилизатор тока

Линейный стабилизатор тока греется тем больше, чем больше приложено к нему напряжение. Это его основной недостаток. Однако, он имеет ряд преимуществ, например:

  • Линейный стабилизатор не создаёт электромагнитных помех
  • Прост по конструкции
  • Имеет низкую стоимость в большинстве применений

Поскольку импульсный преобразователь не бывает абсолютно эффективным, существуют приложения, когда линейный стабилизатор имеет сравнимую или даже большую эффективность — когда входное напряжение лишь немного превышает напряжение на светодиоде. Кстати, при питании от сети, часто используется трансформатор, на выходе которого устанавливается линейный стабилизатор тока. То есть, сначала напряжение снижается до уровня, сравнимого с напряжением на светодиоде, а затем, с помощью линейного стабилизатора устанавливается необходимый ток.

В другом случае, можно приблизить напряжение светодиода к напряжению питания — соединить светодиоды в последовательную цепочку. Напряжение на цепочке будет равняться сумме напряжений на каждом светодиоде.

Схемы линейных стабилизаторов тока

Самая простая схема стабилизатора тока — на одном транзисторе (схема «а»). Поскольку транзистор — это усилитель тока, то его выходной ток (ток коллектора) больше тока управления (ток базы) в h 21 раз (коэффициент усиления). Ток базы можно установить с помощью батарейки и резистора, или с помощью стабилитрона и резистора (схема «б»). Однако такую схему трудно настраивать, полученный стабилизатор будет зависеть от температуры, кроме того, транзисторы имеют большой разброс параметров и при замене транзистора, ток придётся подбирать снова. Гораздо лучше работает схема с обратной связью «в» и «г». Резистор R в схеме выполняет роль обратной связи — при увеличении тока, напряжение на резисторе возрастает, тем самым запирает транзистор и ток снижается. Схема «г», при использовании однотипных транзисторов, имеет бóльшую температурную стабильность и возможность максимально уменьшить номинал резистора, что снижает минимальное напряжение стабилизатора и выделение мощности на резисторе R.

Стабилизатор тока можно выполнить на базе полевого транзистора с p-n переходом (схема «д»). Напряжение затвор-исток устанавливает ток стока. При нулевом напряжении затвор-исток, ток через транзистор равен начальному току стока, указанному в документации. Минимальное напряжение работы такого стабилизатора тока зависит от транзистора и достигает 3 вольт. Некоторые производители электронных компонентов выпускают специальные устройства — готовые стабилизаторы с фиксированным током, собранные по такой схеме — CRD (Current Regulating Devices) или CCR (Constant Current Regulator) . Некоторые называют его диодным стабилизатором, поскольку в обратном включении он работает как диод.

Читайте также:  Тяга стабилизатора переднего круз

Компания On Semiconductor выпускает линейный стабилизатор серии NSIxxx, например NSIC2020B, который имеет два вывода и для увеличения надежности, имеет отрицательный температурный коэффициент — при увеличении температуры, ток через светодиоды снижается.

Импульсный стабилизатор тока

Стабилизатор тока на базе импульсного преобразователя по конструкции очень похож на стабилизатор напряжения на базе импульсного преобразователя, но контролирует не напряжение на нагрузке, а ток через нагрузку. При снижении тока в нагрузке, он подкачивает мощность, при увеличении — снижает. Наиболее распространённые схемы импульсных преобразователей имеют в своём составе реактивный элемент — дроссель, который с помощью коммутатора (ключа) подкачивается порциями энергии от входной цепи (от входной ёмкости) и в свою очередь передаёт её нагрузке. Кроме очевидного преимущества экономии энергии, импульсные преобразователи обладают рядом недостатков, с которыми приходится бороться различными схемотехническими и конструктивными решениями:

  • Импульсный конвертер производит электрические и электромагнитные помехи
  • Имеет как правило сложную конструкцию
  • Не обладает абсолютной эффективностью, то есть тратит энергию для собственной работы и греется
  • Имеет чаще всего бóльшую стоимость, по сравнению, например, с трансформаторными плюс линейными устройствами

Поскольку экономия энергии во многих приложениях является решающей, разработчики компонентов, схемотехники стараются снизить влияние этих недостатков, и, зачастую, преуспевают в этом.

Схемы импульсных преобразователей

Поскольку стабилизатор тока основан на импульсном преобразователе, рассмотрим основные схемы импульсных преобразователей. Каждый импульсный преобразователь имеет ключ, элемент, который может находиться только в двух состояниях — включенном и выключенном. В выключенном состоянии, ключ не проводит ток и, соответственно, на нём не выделяется мощность. Во включенном состоянии, ключ проводит ток, но имеет очень малое сопротивление (в идеале — равное нулю), соответственно на нём выделяется мощность, близкая к нулю. Таким образом, ключ может передавать порции энергии от входной цепи к выходной практически без потерь мощности. Однако, вместо стабильного тока, какой можно получить от линейного источника питания, на выходе такого ключа будет импульсное напряжение и ток. Для того, чтобы получить снова стабильные напряжение и ток, можно поставить фильтр.

С помощью обычного RC фильтра можно получить результат, однако, эффективность такого преобразователя не будет лучше линейного, поскольку вся избыточная мощность выделится на активном сопротивлении резистора. Но если использовать вместо RC — LC фильтр (схема «б»), то, благодаря «специфическим» свойствам индуктивности, потерь мощности можно избежать. Индуктивность обладает полезным реактивным свойством — ток через неё возрастает постепенно, подаваемая на него электрическая энергия преобразуется в магнитную и накапливается в сердечнике. После выключения ключа, ток в индуктивности не пропадает, напряжение на индуктивности меняет полярность и продолжает заряжать выходной конденсатор, индуктивность становится источником тока через обводной диод D. Такая индуктивность, предназначенная для передачи мощности, называется дросселем. Ток в дросселе правильно работающего устройства присутствует постоянно — так называемый неразрывный режим или режим непрерывного тока (в западной литературе такой режим называется Constant Current Mode — CCM). При снижении тока нагрузки, напряжение на таком преобразователе возрастает, энергия, накапливаемая в дросселе снижается и устройство может перейти в разрывный режим работы, когда ток в дросселе становится прерывистым. При таком режиме работы резко повышается уровень помех, создаваемых устройством. Некоторые преобразователи работают в пограничном режиме, когда ток через дроссель приближается к нулю (в западной литературе такой режим называется Border Current Mode — BCM). В любом случае, через дроссель течет значительный постоянный ток, что приводит к намагничиванию сердечника, в связи с чем, дроссель выполняется особой конструкции — с разрывом или с использованием специальных магнитных материалов.

Стабилизатор на базе импульсного преобразователя имеет устройство, регулирующее работу ключа, в зависимости от нагрузки. Стабилизатор напряжения регистрирует напряжение на нагрузке и изменяет работу ключа (схема «а»). Стабилизатор тока измеряет ток через нагрузку, например с помощью маленького измерительного сопротивления Ri (схема «б»), включенного последовательно с нагрузкой.

Ключ преобразователя, в зависимости от сигнала регулятора, включается с различной скважностью. Есть два распространённых способа управления ключом — широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и токовый режим. В режиме ШИМ, сигнал ошибки управляет длительностью импульсов при сохранении частоты следования. В токовом режиме, измеряется пиковый ток в дросселе и изменяется интервал между импульсами.

В современных ключевых преобразователях в качестве ключа обычно используется MOSFET транзистор.

Рассмотренный выше вариант преобразователя называется понижающим, поскольку напряжение на нагрузке всегда ниже напряжения источника питания.

Поскольку в дросселе постоянно течёт однонаправленный ток, требования к выходному конденсатору могут быть снижены, дроссель с выходным конденсатором играют роль эффективного LC фильтра. В некоторых схемах стабилизаторов тока, например для светодиодов, выходной конденсатор может отсутствовать вообще. В западной литературе понижающий преобразователь называется Buck converter.

Схема импульсного стабилизатора, приведённая ниже, также работает на основе дросселя, однако дроссель всегда подключен к выходу источника питания. Когда ключ разомкнут, питание поступает через дроссель и диод на нагрузку. Когда ключ замыкается, дроссель накапливает энергию, когда ключ размыкается, возникающее на его выводах ЭДС добавляется к ЭДС источника питания и напряжение на нагрузке возрастает.

В отличие от предыдущей схемы, выходной конденсатор заряжается прерывистым током, следовательно выходной конденсатор должен быть большим, и, возможно, понадобится дополнительный фильтр. В западной литературе повышающе-понижающий преобразователь называется Boost converter.

Еще одна схема импульсного преобразователя работает аналогично — когда ключ замыкается, дроссель накапливает энергию, когда ключ размыкается, возникающее на его выводах ЭДС будет иметь обратный знак и на нагрузке появится отрицательное напряжение.

Как и в предыдущей схеме, выходной конденсатор заряжается прерывистым током, следовательно выходной конденсатор должен быть большим, и, возможно, понадобится дополнительный фильтр. В западной литературе инвертирующий преобразователь называется Buck-Boost converter.

Прямоходовой и обратноходовой преобразователи

Наиболее часто блоки питания изготавливаются по схеме, использующей в своем составе трансформатор. Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку вторичной цепи от источника питания, кроме того, эффективность блока питания на основе таких схем может достигать 98% и более. Прямоходовой преобразователь (схема «а») передаёт энергию от источника в нагрузку в момент включенного состояния ключа. Фактически — это модифицированный понижающий преобразователь. Обратноходовой преобразователь (схема «б») передаёт энергию от источника в нагрузку во время выключенного состояния.

В прямоходовом преобразователе трансформатор работает в обычном режиме и энергия накапливается в дросселе. Фактически — это генератор импульсов с LC фильтром на выходе. Обратноходовой преобразователь накапливает энергию в трансформаторе. То есть трансформатор совмещает свойства трансформатора и дросселя, что создаёт определённые сложности при выборе его конструкции.

В западной литературе прямоходовой преобразователь называется Forward converter. Обратноходовой — Flyback converter.

Применение импульсного конвертера в качестве стабилизатора тока

Большинство импульсных блоков питания выпускаются с стабилизацией выходного напряжения. Типичные схемы таких блоков питания, особенно мощных, кроме обратной связи по выходному напряжению, имеют схему контроля тока ключевого элемента, например резистор с малым сопротивлением. Такой контроль позволяет обеспечивать режим работы дросселя. Простейшие стабилизаторы тока используют этот элемент контроля для стабилизации выходного тока. Таким образом, стабилизатор тока оказывается даже проще стабилизатора напряжения.

Рассмотрим схему импульсного стабилизатора тока для светодиода на базе микросхемы NCL30100 от известного производителя электронных компонентов On Semiconductor:

Схема понижающего преобразователя работает в режиме неразрывного тока с внешним ключом. Схема выбрана из множества других, поскольку она показывает, насколько простой и эффективной может быть схема импульсного стабилизатора тока с внешним ключом. В приведённой схеме, управляющая микросхема IC1 управляет работой MOSFET ключа Q1. Поскольку преобразователь работает в режиме неразрывного тока, выходной конденсатор ставить необязательно. В многих схемах датчик тока устанавливается в цепи истока ключа, однако, это снижает скорость включения транзистора. В приведённой схеме датчик тока R4 установлен в цепи первичного питания, в результате схема получилась простой и эффективной. Ключ работает на частоте 700 кГц, что позволяет установить компактный дроссель. При выходной мощности 7 Ватт, входном напряжении 12 Вольт при работе на 700 мА (3 светодиода), эффективность устройства более 95%. Схема стабильно работает до 15 Ватт выходной мощности без применения дополнительных мер по отводу тепла.

Ещё более простая схема получается с использованием микросхем ключевых стабилизаторов с встроенным ключом. Например, схема ключевого стабилизатора тока светодиода на базе микросхемы CAV4201/CAT4201:

Для работы устройства мощностью до 7 Ватт необходимо всего 8 компонентов, включая саму микросхему. Импульсный стабилизатор работает в пограничном режиме тока и для его работы требуется небольшой выходной керамический конденсатор. Резистор R3 необходим при питании от 24 Вольт и выше для снижения скорости нарастания входного напряжения, хотя это несколько снижает эффективность устройства. Частота работы превышает 200 кГц и меняется в зависимости от нагрузки и входного напряжения. Это обусловлено методом регулирования — контролем пикового тока дросселя. Когда ток достигает максимального значения, ключ размыкается, когда ток снижается до нуля — включается. Эффективность устройства достигает 94%.

Источник