Импульсный стабилизатор: что "это" такое?
Автор: А.КОЛДУНОВ, г.Гродно. E-mail: nixto@telegraf.by
В радиотехнике широко используются, в основном, два типа стабилизаторов: линейные и импульсные. Линейные стабилизаторы действуют по принципу резистора: ограничивают протекающий через ключевой элемент (транзистор) ток так, чтобы напряжение (или ток) в нагрузке оставались постоянными. При этом часть полезной мощности теряется (выделяется в виде тепла на регулирующем транзисторе).
В некоторых случаях эта "часть" может быть весьма значительной. Например, при входном напряжении 10 В и выходном 2,5 В падение напряжения на транзисторе составляет 7,5 В, т.е. 75% энергии источника питания тратится на паразитный разогрев транзистора и только 25% выполняют полезную работу.
Еще хуже обстоит дело с регулируемыми источниками питания, когда для большего диапазона изменения выходного напряжения разработчик пытается сделать входное напряжение побольше. В таких случаях при минимальном выходном напряжении КПД источника питания может снижаться до единиц процента.
Этого недостатка лишены импульсные стабилизаторы, способные трансформировать напряжение в ток и наоборот. Поэтому КПД "имульсни-ка", независимо от величины входного (выходного) напряжения, практически постоянен и составляет, в зависимости от схемы и используемых комплектующих, до 80...95%. Благодаря столь высокому КПД облегчается тепловой режим устройства: его компоненты практически не греются, и там, где раньше приходилось использовать громоздкие радиаторы-теплоотводы и воющие вентиляторы, удается обойтись одной маленькой пластинкой или вообще "голым" корпусом транзистора. Уменьшается также потребляемый устройством ток, что очень важно при автономном режиме работы. Проще говоря, при входном напряжении 10 В и выходном 2,5 В потребляемый от источника питания ток будет в 4 раза меньше выходного тока (точнее, в 3,5...3,8 раз, ведь КПД чуть ниже 100%). При этом "лишние" 7,5 В будут трансформироваться в "дополнительный" ток в полном соответствии с законом сохранения энергии. А вот у линейного стабилизатора потребляемый ток всегда чуть больше тока нагрузки.
Чем выше рабочая частота преобразователя, тем меньших размеров могут быть его самые габаритные детали — катушка индуктивности (дроссель или трансформатор) и фильтрующие конденсаторы. Образно говоря, за 1 такт сердечник дросселя или трансформатора может "запасти" небольшой "кусочек" энергии определенной величины, и "размер" этого "кусочка" не зависит от рабочей частоты. То есть просто повысив рабочую частоту, например, в 10 раз, мы сможем за то же время "передать" в нагрузку в 10 раз большую мощность при том же размере катушки и сердечника! Поэтому, если обычный 50-герцовый трансформатор мощностью 270 Вт (ТС-270) весит более 5 кг и размером с 3-литровую банку, то импульсный трансформатор на 300 Вт, работающий на частоте 30 кГц, всего лишь с 3-4 спичечных коробка.
К сожалению, частоту нельзя повышать бесконечно: для большинства недорогих ключевых транзисторов максимальная рабочая частота не превышает 100...300 кГц, а у ферритовых сердечников на частотах выше 30... 100 кГц сильно увеличиваются потери из-за вихревых токов внутри сердечника. Поэтому оптимальная рабочая частота для "импульсника" — 30...50 кГц. Она достаточно высока для того, чтобы человек не слышал писка при его работе (максимальная слышимая частота не превышает 20 кГц), и, в то же время, потери на такой частоте еще достаточно малы.
Однако у импульсных стабилизаторов есть и недостатки. Главный из них кроется в самом принципе действия. Стабилизатор работает в импульсном режиме и на довольно высокой частоте, поэтому он излучает весьма мощные электромагнитные (радиоволны) и электрические (пульсации напряжения) помехи. Избавиться от них очень сложно! В критических случаях проще вообще отказаться от "им-пульсников". Поэтому применять импульсные стабилизаторы целесообразно только там, где нагрузка потребляет значительный ток или мощность (более 10...20 Вт), есть большая разница между входным и выходным напряжениями (минимум в 2...5 раз), а нагрузка сравнительно нечувствительна к помехам и пульсациям (заряжаемый аккумулятор, лампочка, электромотор и др.). В остальных случаях, особенно если нужно работать со "звуком", лучше использовать линейный стабилизатор.
Импульсный стабилизатор состоит из пяти частей:
- схемы управления;
- ключевого транзистора;
- дросселя (катушки индуктивности с ферритовым сердечником);
- фильтрующих конденсаторов;
- обратноходового диода, в качестве которого для небольшого увеличения КПД (и значительного уменьшения нагрева корпуса) можно использовать мощный транзистор.
В зависимости от того, как соединены эти элементы, "импульсник" может повышать, понижать, а также инвертировать полярность напряжения. Также известны трансформаторные импульсные преобразователи, но они менее распространены и используются, в основном, там, где необходима гальваническая развязка (блоки питания и зарядные устройства с питанием от сети) или где нужно значительно (более чем в 3...10 раз) повысить напряжение.
Принцип действия катушки индуктивности аналогичен таковому обычной пружины. Как можно сжать пружину, точно так же можно "закачать" энергию в катушку, причем количество запасаемой энергии зависит от ее индуктивности (количества и диаметра витков, типа сердечника). Практически от этого же (вместо сердечника выступает упругость материала) зависит и "сила" пружины. Пружину можно сжать только до некоторого предела. Далее, по мере сжатия, необходимая для дальнейшего сжатия сила плавно увеличивается. Когда витки пружины "сомкнутся", при дальнейшем сжатии мы будем только зря терять силы (можно повредить пружину или пальцы).
Так же и катушка: при подаче напряжения ее сопротивление плавно уменьшается от бесконечности до минимума, поэтому "закачиваемые" в нее импульсы должны быть относительно короткими, иначе может начаться насыщение, и индуктивное сопротивление катушки уменьшится до активного сопротивления (сопротивления на постоянном токе), которое обычно не превышает долей ома. В результате может перегореть обмотка катушки или ключевой транзистор.
Сразу после снятия воздействия на пружину она стремится распрямиться, нередко с гораздо большей скоростью, чем ее сжимали. Аналогично в катушке после закрывания ключевого транзистора возникает ЭДС самоиндукции, величина которой может быть гораздо больше напряжения питания (на этом свойстве основаны повышающие преобразователи напряжения). Ну, и третье свойство: пружина распрямляется в сторону, про-, тивоположную той, в которую ее сжимали. Соответственно, полярность напряжения на катушке при возникновении ЭДС становится противоположной (на этом свойстве основаны инверторы напряжения).
Катушка индуктивности (дроссель) — единственный прибор, который, скорее всего, потребуется изготавливать самостоятельно. "Им-пульсники" работают на сравнительно низких частотах (десятки...сотни килогерц), поэтому их катушки содержат внутри себя магнитные сердечники. Обычно используются кольца или чашки из феррита. Сердечники из трансформаторной стали не подходят! У такого дросселя будут слишком большие вихревые токи в сердечнике (токи Фуко), он будет сильно греться, а КПД устройства уменьшится на 20...50%.
В большинстве схем импульсных преобразователей катушка работает с постоянным подмагничиванием, т.е. через нее течет не переменный ток, а пульсирующий (с постоянной составляющей). Чтобы не происходило намагничивания сердечника, его нужно собирать с диэлектрическим зазором: проложить между половинками сердечника полоску бумаги или любого другого немагнитного материала толщиной 0,1.. .0,5 мм. От этого индуктивность катушки слегка уменьшится, но и резко уменьшится опасность критического намагничивания. Кстати, поломанные сердечники (феррит очень хрупок и легко ломается) можно совершенно спокойно использовать, склеив кусочки клеем типа "Момент" или просто сильно сжав их и зафиксировав изолентой. Неразрезные сердечники (ферритовые кольца) в "им-пульсниках" лучше не применять. Их нужно разрезать алмазной пилкой (или сделать насечки краем точильного бруска и просто разломать), а потом склеить с небольшим зазором. В большинстве современных низковольтных импульсных стабилизаторов используются полевые транзисторы. Они чуть дороже биполярных, но обладают гораздо меньшим падением напряжения в открытом состоянии. Благодаря этому суммарный КПД устройства с "полевиками" на 5... 15% выше, а нагрев элементов — заметно слабее. Если биполярному транзистору в ключевом режиме уже при токе 1.. .2 А требуется радиатор охлаждения, то полевой в той же схеме способен работать без радиатора с током до 5... 10 А. Однако у "полевиков" гораздо большие паразитные емкости, поэтому при работе на высоких частотах (выше 500... 1000 кГц) или при высоком входном напряжении (выше 300...500 В) "биполярни-ки" становятся более выгодными.
Ключевые транзисторы должны открываться и закрываться с максимально возможной быстротой, поскольку от этого зависит КПД устройства (потери в катушке). Полевые транзисторы по этому параметру "обгоняют" биполярные только при невысоких напряжениях. В высоковольтных схемах выгодней использовать IGBT-модули — комбинацию из маломощного полевого транзистора на входе и мощного биполярного на выходе. Они обладают преимуществами обоих типов транзисторов и почти не имеют недостатков. Однако, они сравнительно дороги.
Аналогичные требования предъявляются и к диоду. Ток обратного хода, протекающий через диод, практически равен прямому току через транзистор, поэтому диод должен быть достаточно мощным и с минимальным падением напряжения. Этим требованиям идеально соответствуют диоды Шотки, если бы не одно "но": они слишком низковольтны. Максимальное рабочее напряжение для большинства диодов Шотки — всего 20...60 В, и лишь у некоторых оно достигает 100...200 В. А так, падение напряжения на них раза в два меньше (0,3...0,5 В против 0,7...1,2 В у обычных диодов с p-n-переходом) и гораздо выше максимальная рабочая частота. Благодаря этому, диоды Шот-ки греются заметно слабее. Для работы с большими напряжениями можно использовать только быстрые (Fast, F) или сверхбыстрые (Ultra Fast, UF) диоды. Обычные низковольтные выпрямительные диоды на таких частотах "захлебываются" и очень сильно греются, естественно, с потерями в КПД. Конденсаторы на выходе таких схем можно использовать только из серий с небольшим внутренним сопротивлением (более известным как "эффективное последовательное сопротивление" — ESR), так как они заряжаются и работают с мощными импульсами. Емкость конденсатора менее критична: Low-ESR конденсатора емкостью 330 мкф при работе на частоте в десятки килогерц вполне достаточно, и он более эффективен, чем "обычный" конденсатор с емкостью раз в 10 большей. Однако для обеспечения значительных пиковых токов нагрузки (например, при работе на УМЗЧ) параллельно с таким конденсатором все-таки лучше включить "обычный" емкостью пару тысяч микрофарад. В любом случае, если конденсаторы при работе на номинальную нагрузку нагреваются более чем на 10...20°С, это однозначно свидетельствует, что у них слишком большое ESR, и они элементарно "не справляются". Обычно чем больше рабочее напряжение конденсатора, тем ниже его ESR, поэтому в импульсных преобразователях желательно использовать конденсаторы, как минимум, с двукратным запасом по напряжению. При параллельном включении нескольких конденсаторов (можно разной емкости) их суммарное ESR снижается. Во многих схемах параллельно с электролитическими конденсаторами рекомендуется включать керамические емкостью до единиц микрофарад, одноко в мощных "импульсниках" эффект от их использования можно заметить разве что по приборам.
Во всех "импульсникахя обязательны фильтрующие конденсаторы по шинам питания сравнительно большой емкости (минимум 1000 мкф на 1 А входного тока) и с низким внутренним сопротивлением- На плате этот конденсатор должен стоять как можно ближе к ключевым элементам и соединяться с ними дорожками максимальной ширины. Его также можно составлять из нескольких параллельно соединенных конденсаторов. Рабочее напряжение конденсатора — минимум в 1,5 раза больше максимального входного напряжения.
Схему управления современных "импульсников" собирают на базе специализированных микросхем. Они сравнительно дешевы, обладают великолепными характеристиками и практически не требуют подключения внешних элементов и кропотливой настройки. Для управления полевыми транзисторами необходимы микросхемы с мощными выходами: для достижения максимального КПД транзистор должен быстро открываться (за время порядка сотен наносекунд), а у полевых транзисторов емкость затвора очень велика. Поэтому микросхема-драйвер полевого транзистора должна иметь попумос-товой выход, способный обеспечить ток 0,2.. .2,0 А. Чем выше рабочая частота, тем большим должен быть выходной ток. Этот ток потребляется транзистором кратковременно (пока не зарядится или разрядится емкость затвора), а все остальное время ток не потребляется. Поэтому более мощный драйвер не приведет к увеличению энергопотребления, а наоборот, КПД схемы только возрастет.

Схема повышающего преобразователя напряжения показана на рис.1 а. Во время рабочего хода, когда транзистор открыт, катушка запасает энергию. Ее можно представить как батарейку (конденсатор), положительный полюс которой — вверху схемы (рис.1 б). Диод при этом закрыт, постоянное напряжение на выходе поддерживается конденсатором. После запирания транзистора полярность напряжения на выводах катушки из-за ЭДС самоиндукции меняется на противоположную, она суммируется с напряжением питания и через открывшийся диод подзаряжает конденсатор (рис.1 в). Таким способом, в принципе, можно получить сколь угодно большое напряжение, но обычно оно не превышает несколько сотен вольт из-за потерь как в самой катушке, так и в других элементах схемы.
При сборке такой схемы нужно уделить особое внимание надежности элементов и монтажа. Транзистор, конденсатор и диод в этой схеме должны быть рассчитаны на максимальное выходное напряжение плюс 10...20 В запаса.

Инвертор напряжения работает по аналогичному принципу (рис.2а). Пока транзистор открыт (рис.2б), катушка накапливает энергию., а диод закрыт обратным напряжением. После запирания транзистора на верхнем по схеме выводе катушки появляется отрицательный потенциал, и она через диод подзаряжает отрицательным напряжением конденсатор (рис.2в).
Конденсатор в этой схеме должен быть рассчитан на максимальное выходное напряжение (плюс запас), транзистор и диод — на выходное плюс напряжение питания.
Понижающий преобразователь напряжения собирают по несколько иной схеме (рис.За). Пока транзистор открыт, катушка медленно накапливает заряд, одновременно подзаряжая выходной накопительный конденсатор (рис.Зб). После запирания транзистора катушка через диод разряжается на конденсатор (рис.Зв).
Как только напряжение на конденсаторе чуть снизится (под влиянием тока нагрузки), схема управления подаст еще один открывающий импульс на транзистор, подзаряжая конденсатор, и так до бесконечности.
А вот совсем отказаться от использования катушки в этой схеме нельзя, хотя она, вроде как. и ни к чему. В принципе, если на выходе устройства — обычная активная нагрузка (лампочка или паяльник), катушку и диод можно не ставить. Но если на выходе должно быть сглаженное постоянное напряжение, без катушки не обойтись. Ведь внутреннее сопротивление (ESR) современных конденсаторов ничтожно мало (посмотрите хотя бы на мощность искры, появляющейся при коротком замыкании выводов заряженного конденсатора) и при резком отпирании транзистора через конденсатор и переход транзистора потечет очень большой (десятки...сотни ампер) ток, способный вывести их из строя. К тому же, очень резко возрастет нагрев этих элементов и снизится срок их службы.

Повышающе-понижающий преобразователь напряжения (его обычно называют "инвертор", что не совсем правильно), если напряжение на на грузке должно быть, например, 5 В. а напряжение питания — 3...12 В, собирается по комбинированной схеме (рис.4а). Пока входное напряжение меньше напряжения нагрузки, транзистор VT1 всегда полностью открыт (рис.4б), a VT2 "повышает" напряжение, работая в импульсном режиме (рис. 4в) аналогично схеме на рис. 1. При равенстве входного напряжения выходному VT1 открыт, VT2 закрыт. Как только входное напряжение станет больше выходного, VT2 "навсегда" закрывается, a VT1 наминает "работать", ограничивая выходное напряжение (рис.4г и д). Естественно, схема управления в этом случае будет гораздо сложнее, а также чуть снизится КПД (на 1.. .5%) из-за двух диодов в режиме понижающего преобразователя.
При повторении схемы импульсного преобразователя, если нет разработанной печатной платы, особое внимание нужно уделить разводке цепей питания и нагрузки. Всего лишь одна "неправильная" дорожка на плате — и схема будет плохо работать или. что самое страшное, начнет самовозбуждаться- Ведь на рабочих частотах преобразователей даже несколько сантиметров длины дорожки — уже полноценная катушка индуктивности, и при ее неправильном включении в источнике может образоваться положительная обратная связь (ПОС), превращающая его в генератор. "Скачки" потенциалов при больших импульсных токах на достаточно узких дорожках со сравнительно большим сопротивлением тоже могут поспособствовать возбуждению.
При самовозбуждении (обычно на высокой частоте) нарушается четкий режим работы схемы, резко возрастает потребляемый ток, и ключевой транзистор (чаще всего низкочастотный, т.к. они гораздо дешевле) не может корректно "обработать" столь высокочастотный сигнал. Поэтому он переходит в близкий к линейному режим, сильно греется и заметно снижает КПД устройства. Еще один косвенный признак "возбуда" — свист или писк, В нормальном режиме, если схема работает на ультразвуковых частотах (выше 25.. .30 кГц), она практически бесшумна. Максимум — это небольшой фон с частотой 50 Гц при плохой фильтрации выпрямленного сетевого напряжения или небольшой шум в катушке, как в ненастроенном радиоприемнике при недостаточной емкости фильтрующего конденсатора в управляющей схеме.
Самый простой способ борьбы с "возбудом" — переделать плату с учетом всех правил и рекомендаций, поскольку поиск причины "возбуда" может сильно растянуться. К сожалению, неопытные радиолюбители, столкнувшись с сомовозбуждением из-за неправильно разведенных дорожек, часто бракуют даже очень хорошие схемы, которые, при правильном монтаже, обладают замечательными характеристиками.

Еще одна проблема импульсных стабилизаторов — создание мощных электромагнитных помех. У меня блок питания при токе нагрузки в несколько ампер заглушал все ДВ- и СВ-ра-диостанции в радиусе десятков метров от него. А на расстоянии десятка сантиметров от катушки индуктивности излучение настолько мощное, что способно нарушить работу всех элементов схемы. Поэтому размещать катушку нужно как можно дальше от схемы, особенно от ее чувствительных цепей (цепей обратной связи, управляющей микросхемы). В крайнем случае, их нужно хотя бы прикрыть "забором" из электролитических конденсаторов.
Провода питания должны быть подключены как можно ближе к выводам фильтрующего конденсатора по питанию (рис.5а) дорожками максимально возможной ширины (обычно из расчета 1 мм ширины дорожки на 1 А тока). Дорожку можно "усилить", припаяв к ней медную проволоку диаметром 0,5 мм и больше. После чего из двух точек (это не обязательно должны быть контактные площадки выводов конденсатора, "точки" можно сформировать и посреди дорожки от источника питания до конденсатора, тогда часть дорожки будет продолжением вывода конденсатора) "разводят" питание на все остальные узлы схемы, в первую очередь, на транзистор и катушку Ширина дорожек для сильноточной части должна быть максимальной (на рисунке они показаны жирными линиями). Только в таком случае удается минимизировать паразитные эффекты от падения напряжения на дорожках

На рис.5б показан примерный вариант печатной платы. Здесь между управляющей схемой и катушкой индуктивности стоят два ряда электролитических конденсаторов. Они менее чувствительны к магнитному излучению дросселя и надежно "прикрывают" схему управления. Конденсаторы включены по два в параллель, хотя можно обойтись и одним большей емкости. Обратите внимание на разводку дорожек питания: разводить нужно именно так, как бы ни был велик соблазн "сэкономить". Разве что, можно сделать дорожки пошире. Если общий провод устройства должен быть электрически соединен с корпусом устройства (заземлен), то заземляющий провод должен подключаться к той точке, от которой расходятся все дорожки, а не "в любом удобном месте"! Это относится и ко всему остальному монтажу в силовой части схемы.
Обратите внимание, как сделан "земляной" вывод нагрузки: в схему добавлена "неудобная" перемычка, хотя физически можно провести дорожку возле катушки. Но тогда эта дорожка станет "ловить" помехи от катушки, и предсказать форму выходного напряжения станет невозможно. Особое внимание при "рисовании" платы нужно уделять подключению элементов обратной связи (на рисунке — резистора): это даже важнее, чем правильная разводка питания. В любом случае лучше сделать плату больших размеров, но с правильной разводкой всех цепей, чем сэкономить "на спичках4 и потом бороться с плохим КПД, сильным нагревом транзисторов и неустойчивой работой всего преобразователя.
Автор: А.КОЛДУНОВ, г.Гродно. E-mail: nixto@telegraf.by

Источник: http://radio-hobby.org/