Импульсные стабилизаторы напряжения с ШИМ

Широтно-импульсная модуляция — приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями - вкл/выкл), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны. Формально, это можно записать так:

где x(t) - желаемый входной сигнал в пределе от t1 до t2, а ΔTi - продолжительность i -го ШИМ импульса, каждого с амплитудой A. ΔTi подбирается таким образом, что суммарные площади (энергии) обеих величин приблизительно равны за достаточно продолжительный промежуток времени, равны также и средние значения величин за период:

Управляемыми "уровнями", как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x(t) = Uconst стабилизации.

Основной причиной внедрения ШИМ является сложность обеспечения произвольным напряжением. Есть некое базовое постоянное напряжение питания (в сети, от аккумуляторов и пр.) и на его основе нужно получить более низкое произвольное и уже им запитывать электродвигатели или иное оборудование. Самый простой вариант - делитель напряжения, но он обладает пониженным КПД, повышенным выделением тепла и расходом энергии. Другой вариант - транзисторная схема. Она позволяет регулировать напряжение без использования механики. Проблема в том, что транзисторы греются больше всего в полуоткрытом состоянии (50%). И если с таким КПД ещѐ "можно жить", то выделение тепла, особенно в промышленных масштабах сводит всю идею на нет. Именно поэтому было решено использовать транзисторную схему, но только в пограничных состояниямх (вкл/выкл), а полученный выход сглаживать LC-цепочкой (фильтром) при необходимости. Такой подход весьма энергоэффективен.

В ШИМ у сигнала T=const, τ=var.

На рисунке изображена функциональная схема импульсного стабилизатора на основе широтно-импульсной модуляции.

Входное напряжение Ui через ключ (1) поступает на интегратор (2), условно изображѐнный как конденсатор. Принцип его работы в том, что он накапливает энергию, подаваемую с ключа и отдаѐт еѐ в нагрузку, когда ключ разомкнут. В результате на выходе имеем усреднѐнное значение напряжения, которое зависит от входного напряжения и скважности импульсов. Это напряжение с помощью операционного усилителя (4) сравнивается с опорным напряжением с эталона (6). Разница между ними поступает на модулятор (3). Модулятор преобразует импульсы генератора (5) в прямоугольные импульсы, скважность которых зависит от разности между опорным и выходным напряжением. Обычно генератор выдаѐт треугольные или пилообразные импульсы, которые преобразуются в прямоугольные с помощью порогового элемента с регулируемым порогом срабатывания. Импульсы с выхода модулятора управляют замыканием и размыканием ключа (1).

Достоинства:

Можно достичь высокого коэффициента стабилизации

Высокий КПД

Малые габариты и масса.

Недостатки:

Импульсные помехи. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры.

Невысокий cosφ, что требует включения компенсаторов коэффициента мощности.

Для стабилизаторов: