Довольно часто возникают ситуации, когда характеристики электрического тока в сети не позволяют нормально эксплуатировать различные приборы и оборудование. Для решения этой проблемы используется импульсный стабилизатор тока, конструктивно напоминающий стабилизирующее устройство напряжения, работающего на основе импульсного преобразователя. Основной функцией импульсного стабилизатора является контроль над состоянием тока через нагрузку. В случае снижения тока в нагрузке подкачивается дополнительная мощность, а при повышении тока мощность понижается.
Устройство импульсного стабилизатора
Схемы импульсных преобразователей, получившие наиболее широкое распространение, оборудуются реактивным элементом дросселем, к которому энергия подкачивается определенными порциями с помощью специального ключа, еще называемого коммутатором. Подкачка осуществляется от входной цепи и далее поступает на нагрузку. В результате, такой режим работы дает существенную экономию электроэнергии, особенно, если стабилизатор работает на полевом транзисторе.
Однако, несмотря на явные преимущества, у импульсных преобразователей имеется ряд недостатков, для преодоления которых используются различные технические и конструктивные решения. В первую очередь это связано с электромагнитными и другими помехами, возникающими в процессе работы импульсного конвертера, а также сложной конструкцией устройства. Во время эксплуатации невозможно достичь максимального эффекта, поскольку происходит нагрев и энергия затрачивается впустую. Немаловажное значение имеет высокая стоимость импульсных устройств. Тем не менее, для многих схем экономия электроэнергии выступает на передний план, поэтому негативное влияние недостатков в большинстве случаев удается максимально снизить.
Схемы импульсных преобразователей
Основой каждого стабилизатора тока данного типа является импульсный преобразователь. Кроме того, в схеме предусмотрен ключ, находящийся только в двух позициях выключенной и включенной. В состоянии выключено ток не проводится, поэтому выделение мощности отсутствует. В положении включено ключ начинает проводить ток, обладая при этом, незначительным сопротивлением, стремящимся к нулю. Соответственно выделение мощности происходит со значением также близком к нулю.
Порционная передача энергии с помощью ключа от входа к выходу осуществляется без каких-либо потерь мощности. Однако по сравнению с линейным источником питания, ток и напряжение на выходе такого ключа будут импульсными, то есть нестабильными. Для стабилизации этих параметров используются фильтры, хорошо зарекомендовавшие себя для светодиодов.
Лучше всего зарекомендовали себя фильтры, обладающие свойствами индуктивности, что позволяет избежать потерь мощности. Основное полезное свойство индуктивности заключается в постепенном возрастании тока, проходящего через нее. Происходит преобразование электрической энергии в магнитную и ее накапливание в сердечнике. После того как ключ оказывается выключенным, ток в индуктивности остается прежним, а напряжение изменяет полярность. В результате, зарядка выходного конденсатора продолжается, а сама индуктивность превращается в источник тока. Данная индуктивность, выполняющая передачу мощности, и является дросселем. В правильно работающем устройстве ток в дросселе присутствует постоянно, то есть его работа происходит в так называемом неразрывном режиме.
Если происходит снижение нагрузочного тока, наступает рост напряжения в преобразователе. Снижается энергия, накопленная в дросселе, и устройство начинает работать в разрывном режиме при прерывистом токе. В результате, наблюдается резкий рост магнитных помех, создаваемых устройством. Чтобы избежать помех и намагничивания сердечника, используется особая конструкция дросселя, в которой присутствуют магнитные материалы.
Одним из элементов импульсного стабилизатора тока является устройство для регулировки работы ключа в соответствии с подключенной нагрузкой. Регистрация напряжения на нагрузке производится стабилизатором, изменяющим работу ключа. С помощью стабилизатора тока выполняется измерение тока, проходящего через нагрузку. Обычно для этих целей используется небольшое измерительное сопротивление, включаемого последовательно с нагрузкой.
Включение ключа преобразователя производится с различной скважностью, в зависимости от сигнала регулятора. Наибольшее распространение получил способ широтно-импульсной модуляции, а также работа в токовом режиме. В первом случае применяется управление длительностью импульсов с сохранением частоты следования. Вторая схема импульсного стабилизатора предполагает измерение пикового тока в дросселе, с одновременным интервалом между импульсами.
На основе импульсного устройства создано несколько видов преобразователей:
- Понижающий преобразователь. Получил свое название в связи с тем, что напряжение на нагрузке всегда меньше напряжения источника питания. Течение тока в дросселе постоянно происходит в одном направлении, поэтому требования к конденсатору, установленному на выходе, несколько снижены. В некоторых схемах дроссель и выходной конденсатор используются в качестве фильтра. Существуют схемы, где конденсатор вообще отсутствует, например, в стабилизаторах для светодиодов.
- Повышающий преобразователь. Данная микросхема импульсного стабилизатора тока также содержит дроссель, постоянно подключенный к выходу источника питания. Когда ключ находится в разомкнутом положении, питание на нагрузку поступает через диод и дроссель. При замыкании ключа в дросселе происходит накопление энергии и при размыкании ключа его ЭДС, возникающая на выводах, добавляется к ЭДС источника питания. Это приводит к возрастанию напряжения на нагрузке. В данной схеме, в отличие от предыдущей, для зарядки выходного конденсатора используется прерывистый ток. Поэтому параметры выходного конденсатора должны быть большими, в некоторых случаях может потребоваться установка дополнительного фильтра.
- Инвертирующий преобразователь. Работает по такой же схеме, что и повышающее устройство.
- Прямоходовой и обратноходовой преобразователи. Нередко схемы блоков питания содержат такой элемент как трансформатор. С его помощью обеспечивается гальваническая развязка вторичной цепи от источника питания. Благодаря таким схемам эффективность работы устройств достигает 98% и выше. Передача энергии в прямоходовом преобразователе осуществляется от источника в нагрузку при включенном состоянии ключа. Фактически он является модифицированным понижающим преобразователем. Энергия в обратноходовом преобразователе происходит от источника к нагрузке в выключенном состоянии.
Импульсный конвертер как стабилизатор тока
Многие импульсные блоки питания оборудованы системой стабилизации выходного напряжения. Подобные схемы, особенно повышенной мощности, помимо обратной связи с выходным напряжением, включают в свой состав систему контроля тока ключевого элемента.
В этом качестве может использоваться резистор с незначительным сопротивлением. Наличие такого контроля обеспечивает работу дросселя в необходимом режиме. Подобные контрольные элементы используются в простейших стабилизаторах тока, сделанных своими руками, и эффективно стабилизируют выходной ток.
