Доброго здоров'я, шановні читачі. Продовжимо огляд вторинних джерел живлення.

У практичній частині продовжимо розмову про майбутній лабораторний БЖ.

------------

На черзі імпульсні джерела. Тож ця частина допису буде присвячено саме їм.

Огляд почнемо із імпульсних стабілізаторів напруги. Вони є складовою частиною різноманітних імпульсних джерел живлення, основою DC-DC перетворювачів (конверторів), а також, інколи, використовуються навіть для стабілізації напруги лінійних джерел. Хоча застосування імпульсного стабілізатора напруги зводить нанівець переваги лінійного джерела живлення, такі варіанти інколи цілком допустимі. Як би там не було – факт залишається фактом, зустрічаються різноманітні комбінації.

Імпульсний стабілізатор напруги має цікаві особливості. За допомогою такого стабілізатора можна утримувати стабільну напругу на виході вузла незалежно від її величини на вході. Тобто, імпульсний стабілізатор може як знижувати напругу, так і підвищувати її. На базі цієї особливості розроблено і продукується велика кількість DC-DC перетворювачів, так званих конверторів постійної напруги із функцією як підвищення так і зниження вихідної напруги. За допомогою імпульсного стабілізатора можливо, навіть, інвертувати напругу на виході!

Ще однією особливістю є те, що регулюючий елемент, як правило – транзистор, працює у ключовому режимі, а це каже про те, що його температурний режим суттєво легший ніж при лінійному методі регулювання. У зв'язку із цим значно полегшуються затрати на охолодження ключового транзистора.

Ну і варто зробити зауваження стосовно того, що такі стабілізатори мають значно вищий ККД. Правда, для них характерний недолік імпульсних джерел живлення – імпульсні завади на виході, з якими можна цілком успішно боротися.

 

Мал. 1 Ділянка материнської плати

Основним елементом практичного будь-якого імпульсного стабілізатора напруги є накопичувальний дросель. Саме тому можна інколи почути назву стабілізатор із накопичувальним дроселем (Мал. 1). Незалежно від системи управління, яка може бути різною ("релейною", із ШІМ, зі струмовим режимом), головним фактором роботи такого пристрою є здатність індуктивності накопичувати та віддавати накопичену енергію. Ключ, який перемикає кола струму – найчастіше транзистор MOSFET. Ще діод, як правило Шотки, задача якого – комутація кіл проходження струму. Від порядку включення цих основних компонентів і залежить здатність стабілізатора зменшувати, збільшувати або інвертувати напругу.

 

Отже, почнемо.

Імпульсний стабілізатор постійної напруги з її пониженням (DC-DC STEP DOWN), конвертор – "зменшувач"

Основний вузол стабілізатора, який ми розглядаємо, має наступний вигляд (Мал. 2). Ми бачимо стандартне групування елементів DLC для стабілізаторів зі зниженням напруги. Ключ S – це, як правило MOSFET, хоча інколи може зустрічатися і біполярний транзистор. Втім, використання польових транзисторів у схемах із імпульсним управління є більш прийнятнішим варіантом.

 

Мал. 2

Розглянемо принцип взаємодії елементів.

 

Основних моментів роботи схем із ключовим управлінням два: ключ замкнений, ключ розімкнений – все.

Момент перший – ключ замкнений. Струм від джерела напруги на вході, без жодних перешкод, прямує до виходу стабілізатора. Одночасно відбувається заряд конденсатора C та накопичення енергії дроселем L. Діод D, катод якого приєднано до позитивного потенціалу, під час такого стану ключа участі у роботі схеми не бере, бо не може проводити ніякий струм.

Момент другий – ключ розімкнений. Струм від джерела напруги на вході припинив надходити, з'єднання перерване. Напруга на виході стабілізатора підтримується за рахунок розряджання потенціалу накопиченого конденсатором C та повертання споживачу, що живиться від стабілізатора, накопиченої енергії дроселем L.

Із повертанням енергії дроселем розберемося детальніше. При розімкненні ключа S кінець дроселя L з'єднаний із діодом D отримує більш негативний потенціал ніж протилежний, з'єднаний із конденсатором. Отже через діод, який тепер опинився у прямому включенні, потече струм енергії накопиченої дроселем.

 

Мал. 3

Давайте, для більш яснішого розуміння, трохи перемалюємо схему. На ній (Мал. 3) зображено те ж саме, що і на попередній, але такий вигляд, на мою думку, більш ясніше дозволяє зрозуміти описаний процес.

 

Ще один суттєвий момент характерний для стабілізаторів із пониженням напруги, про який хотілося б зауважити. У зв'язку із тим, що потенціали двох джерел енергії C і L складаються, на виході зменшувача напруги можна отримати струм який буде перевищувати струм вхідного джерела живлення. Проте, закони збереження енергії діють і нікуди не діваються. Скажімо, якщо джерело живлення здатне віддати 12 вольтів при струмі 2 ампери = 24 вати, то на виході стабілізатора можна отримати при 5 вольтах = 4.8 ампери (24/5=4.8). Правда реальні показники будуть меншими, що зумовлено внутрішніми втратами.

Для того , щоб такий стабілізатор працював реально, слід контролювати напругу на його виході і формувати сигнал управління ключем. Саме цим і займаються додаткові складові елементи, які керують роботою основного вузла та забезпечують стабільність вихідної напруги.

 

Мал. 4

Промисловість випускає велику кількість різноманітних стабілізаторів-зменшувачів.

Різноманітні за своїм функціоналом, їх можна, на вибір, придбати у магазині.

При виготовленні сучасних DC-DC STEP DOWN конверторів використовують спеціалізовані мікросхем, які мають у своєму складу і ключовий елемент, і всі вузли управління ним. Для прикладу розглянемо найчастіше вживану МС LM2596. Вона використовується для побудови DC-DC конверторів невеликої потужності (Мал. 5).

 

 

Мал. 5

Мікросхема не нова, принаймні datasheet Texas Instruments датується 1999 роком, власне цим і пояснюється використання у якості ключів (1) біполярних транзисторів, бо у більш сучасних МС застосовуються уже більш кращі для цієї задачі MOSFET. Втім, це не применшує її популярність. Вона має вузли захисту від перевищення струму (2) та перегріву (3). Вузол формування опорної напруги та сигналу ON/OFF (5). Вхідний підсилювач сигналу похибки (6). І нарешті – вузол формування імпульсів управління ключем (4). Як бачите досить складний пристрій, реалізація якого за допомогою дискретних елементів вилилася б у чималий за кількістю набір елементів.

 

 

Давайте звернемо увагу на схему наведену на Мал. 6. Це схема існуючого DC-DC модуля, який ви можете побачити вживу на Мал. 4 (крайній ліворуч). Основний вузол стабілізатора утворений елементами VD1-L1-C3, сигнал похибки на виході знімається із подільника напруги R1-R2. Завдяки тому, що використовується МС із індексом ADJ (що означає можливість встановлення напруги стабілізації у досить широких межах), вихідна напруга може бути встановленою від мінімуму – 1.25 В (тобто, не меншою за опорну напругу) до максимуму – який дорівнює вхідній напрузі з відрахуванням 3-х вольтів (падіння напруги для задоволення внутрішніх потреб МС). Максимальна вхідна напруга IN не може перевищувати 40.0 вольтів (відповідно до технічної характеристики МС-стабілізатора).

 

 

 

Мал. 6

 

 

 

Нижче, на Мал. 7, наведу ще одну схему для того, щоб з'ясувати деякі розбіжності у принципах роботи цих двох варіантів. Беручи до уваги наявність елементів основного вузла стабілізації (VD1-L1-C2 поєднаних характерно для step down функції), можна зробити висновок що це імпульсний стабілізатор – так воно і є. В ролі ключа виступає потужний біполярний транзистор VT3, а двійко транзисторів VT2-VT3 не що інше, як пара Дарлінгтона, коефіцієнтом підсилення якої є добуток коефіцієнтів підсилення транзисторів які входято до її складу. Відкриття транзистора VT4 відбувається напругою виходу стабілізатора, що, у свою чергу, веде до відкриття транзистора VT1 та закриття ключової пари. Отже, при вмиканні стабілізатора (ключ замкнений) напруга входу (IN) потрапляє, поступово зростаючи, на вихід (OUT). При досягненні нею встановленої межі відкривається транзистор VT4, що подає сигнал для розмикання

Мал. 7

 

ключа (закриття транзистора VT3). Енергія, накопичена елементами основного вузла стабілізації, витрачається на підтримання рівня потенціалу на виході стабілізатора. При зниженні напруги транзистор VT4 закривається, відкриваючи транзистор VT3 (ключ замкнений). Процес повторюється і тим частіше, чим потужніше навантаження стабілізатора. Таким чином ми можемо зробити висновок, що стабілізатор працює у простому режимі перемикання елементів управління ключем, неначе реле. Саме тому такі стабілізатори називають – релейними.

Я не буду тут розмірковувати стосовно переваг та недоліків наведених схем стабілізаторів, а відмічу їхні системи управління ключем. Як ви зрозуміли вони різні. Стабілізатор показаний на Мал. 7 – релейний, а на Мал. 6 – з управлінням за допомогою ШІМ (широтно імпульсної модуляції). Така система управління застосовується досить широко і в багатьох електронних вузлах. Вона варта того, щоб її розглянути більш детальніше, що ми і зробимо трохи пізніше.

 

Наступний вид стабілізатора:

 

Імпульсний стабілізатор постійної напруги з її підвищенням (DC-DC STEP UP), конвертор – "збільшувач"

За винятком високого ККД та полегшеного температурного режиму DC-DC STEP DOWN стабілізатор, розглянутий вище, не має особливих переваг у порівнянні з лінійним (швидше певні недоліки). А от імпульсний DC-DC STEP UP стабілізатор лінійним не заміниш. Тому він і стає привабливим саме тоді, коли напруга стабілізації повинна бути вищою за вхідну.

 

Мал. 8

Для реалізації ефекту збільшення (підвищення) напруги в основному вузлі стабілізації використовуються ті ж самі елементи: ключ-діод-дросель-конденсатор, але порядок їхнього розташування дещо змінюється.

 

Основний вузол стабілізатора, який здатен збільшувати напругу на виході, порівняно зі входом, має наступний вигляд (Мал. 8).

Знову ключова схема і знову два основні моменти.

 

 

 

Момент перший – ключ замкнений (Мал. 9). Позитивна та негативна шина живлення опиняються замкненими

Мал. 9

. Зверніть увагу на порядок увімкнення діода D, він не дає можливості розряджатися конденсатору через замкнений ключ. Енергія накопичена конденсатором підтримує напругу живлення для навантаження на виході стабілізатора. У той же час завдяки проходженню струму через дросель, у ньому відбувається суттєве накопичення енергії.

 

 

 

Ви, звісно, повинні розуміти, що КЗ у цьому випадку статися не може. Струм у колі з індуктивним елементом – зростає не миттєво, а поступово. Його максимум встановлюється через певний проміжок часу, який потрібен для повного насичення індуктивного елементу і залежить від величини його індуктивності. Лише після такого насичення дроселя по колу, через замкнений ключ, потече струм КЗ. Але, цього не відбудеться. Частота перемикання ключа системою управління узгоджена із індуктивністю дроселя і повного насичення індуктивного елементу на відбувається навіть при показниках мінімальної прогальності (Прогальність – величина обернена Duty cycle [англ.], термін пов'язаний із роботою ШІМ, який ми розглянемо нижче) сигналу управління.

 

Мал. 10

 

 

Момент другий – ключ розімкнений (Мал. 10). Потужний струм через дросель припиняється. Індуктивність починає віддавати накопичену нею енергію. Нам відомо, що під час такого виплеску, полярність струму змінюється. Зверніть увагу на малюнок: до потенціалу вхідного джерела живлення додається потенціал накопичений дроселем під час попереднього моменту, вони опиняються з'єднаними послідовно. А нам відомо, що послідовне з’єднання джерел живлення збільшує спільну напругу до рівня їхньої суми. Саме такий ефект і є основою роботи STEP UP конвертора.

 

Само-собою, під час цього моменту відбувається підзарядка конденсатора.

 

Мал. 11

Послідовне чергування описаних моментів призводить до того, що стабілізатор на виході здатен утримувати підвищений рівень напруги у порівнянні із напругою основного джерела живлення. Але не забувайте про рівність потужностей на вході та виході стабілізатора. Якщо вам потрібно мати на виході 12В-2А, то основне джерело живлення такого стабілізатора повинно бути здатне віддати 24 вати потужності, це без врахування внутрішніх втрат. Підсумовуючи сказане зробимо висновок – накачування (підвищення) напруги на виході відбувається за рахунок збільшення споживання струму від основного джерела живлення.

 

STEP UP варіанти конверторів виготовляють також із використанням спеціалізованих мікросхем. Одна із них XL6009. Показовий зразок промислового конвертора – STEP UP імпульсний стабілізатор XL6009 (Мал. 11) його назва співпадає із назвою МС.

 

 

 

На Мал. 12 ви бачите внутрішню будову мікросхеми. Вона більш сучасніша за розглянуту вище LM2596, за ключ тут править польовий транзистор із ізольованим затвором. У відповідності із інформацією технічного паспорта він здатен комутувати струм до 4 А. Частота внутрішнього генератора становить 400 кГц. Лише уявіть собі – із частотою 400 тисяч разів на секунду мікросхема перемикає ключ, переводячи його із стану увімкнено до стану вимкнено, слідкуючи при цьому за рівнем встановленої напруги на виході стабілізатора.

Мал. 12

 

 

 

Ну і нарешті повна схема імпульсного модуля STEP UP на основі МС XL6009 (Мал. 13).

 

Мінімальна кількість зовнішніх деталей, за все відповідає МС до якої інтегрована система контролю за вихідною напругою, джерело опорної напруги, система управління ключем на основі ШІМ, система контролю за перевантаженням, система температурного контролю.

Мал 13.

 

Мал. 14

Не слід думати, що не існує інших способів підвищення напруги. Це не так. Наведу вам типовий зразок пристрою підвищення напруги (Мал. 14). У схемі використана МС CD4093. Це мікросхема цифрової логіки, із такими МС ми ще будемо розбиратися. На ній зібрано генератор, який управляє силовими транзисторами VT1 та VT2, перетворюючи постійну напругу входу на синтез змінної (імпульсну). Вихідний каскад на елементах VD1, VD2, C3, C4 є  нічим іншим, як відомим нам помножувачем напруги.

 

Такий пристрій просто подвоює вхідну напругу. А підвищення напруги з оперативним регулюванням коефіцієнту підвищення та, до того ж, зі стабілізацією рівня її виходу – повірте мені, без допомоги розглянутої нами вище системи на МС, вилилося б вам у таку собі не зовсім простеньку схему.

 

Ще один вид імпульсного стабілізатора – DC стабілізатор із інверсією

Де його можна використати і для чого він потрібен? Імпульсний стабілізатор, який інвертує полярність джерела живлення зручно використовувати для побудови блоків живлення із супротилежним виходом, інколи у таких виникає потреба. Окрім того, завдяки своїм конструктивним особливостям такий стабілізатор здатен працювати навіть в режимі STEP UP/STEP DOWN. Тобто, і підвищувати і знижувати вихідну напругу відносно вхідної, утримуючи задану напругу на виході. Давайте його розглянемо.

Знову відомий нам комплект основних елементів: дросель, діод, конденсатор (Мал. 15). Правда, згруповані вони дещо інакше. Зверніть увагу на полярність вхідної та вихідної напруги.

Я думаю ви уже досить досвідчені стосовно процесів, які відбуваються у таких елементах і здатні розібратися самостійно, втім, давайте розберемо по крокам.  Як і у вище розглянутих стабілізаторів, регулюючий ключ має два основні стани – замкнений та розімкнений. Тож розглянемо основні процеси, які відбуваються у схемі такого стабілізатора під час основних станів ключа.

 

Мал. 15

Момент перший – ключ замкнений (Мал. 16).

Мал. 16

Знову, як і у попередньому випадку, елемент індуктивності опиняється приєднаним безпосередньо до полюсів вхідного джерела живлення. Відбувається накопичення потужного енергетичного потенціалу.

 

Діод, блокує коло, для струму вхідного джерела шлях до навантаження закритий. У цей момент його живлення відбувається за рахунок заряду накопиченому конденсатором.

 

 

 

Мал. 17

Момент другий – ключ розімкнений (Мал. 17).

 

Дросель перетворюється на джерело енергії. У процесі її віддавання, як нам уже відомо, полярність потенціалу змінюється.

Накопичена енергія витрачається на живлення навантаження та поновлення заряду конденсатора.

Оце і все. А за рахунок того, що процесом накопичення потенціалу та підтриманням рівня вихідної напруги стабілізатора із інверсією керує контролер DC-DC перетворювача і відбувається автоматичне регулювання потрібного рівня накопичуваного потенціалу. Якщо напруга джерела живлення менша за встановлену вихідну – прогальність імпульсів управління зменшується, якщо більша –  збільшується.

Універсальні DC-DC стабілізатори STEP UP/STEP DOWN

Мал. 18

Слід зауважити, що на практиці, для реалізації універсальних систем стабілізаторів DC-DC напруги, використовується дещо інша схемотехніка. Такі стабілізатори не обертають полярність, та й варіації їхньої реалізації існують різноманітні. Ми коротко розглянемо той, який ви можете побачити за посиланням.

У західній літературі такі стабілізатори називають SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) – несиметричний перетворювач первинної індуктивності.

Окрім трьох основних елементів L2-D-C2 додалося ще два: дросель L1 та неполярний конденсатор C1.   

Ознайомившись із поданим вище матеріалом ми вже досить непогано розуміємо процеси, які відбуваються у подібних схемах, а тому обійдемося без додаткових (пояснювальних) ескізів.

Позаяк схема має ключове управління, то і основних моментів, як завжди – два. Ключ замкнений та ключ розімкнений.

Хай першим моментом буде стан КЛЮЧ РОЗІМКНЕНИЙ:

Дросель L2 віддає накопичений у попередньому моменті потенціал, через діод, на навантаження та поповнення заряду конденсатора C2 та після цього перетворюється на звичайний провідник, формуючи негативний потенціал на обкладинці конденсатора C1. Від накопиченого потенціалу дроселя L1 відбувається заряд позитивної пластини конденсатора С1. Діод розриває коло для негативного потенціалу не даючи йому потрапити на позитивну клему виходу стабілізатора.

Момент другий – КЛЮЧ ЗАМКНЕНИЙ:

Дросель L1, переходячи в режим прямого з'єднання із джерелом первинного живлення починає накопичувати потенціал. Конденсатор С1, через замкнений ключ, віддає отриманий у попередньому моменті заряд дроселю L2, забезпечуючи на ньому накопичення енергії. Діод D виконує роль елементу, який розриває зв'язок між дроселем та вихідними колами стабілізатора до з'явлення на його аноді позитивного потенціалу. Напруга на виході стабілізатора підтримується за рахунок накопиченого заряду конденсатором С2.

Проаналізувавши принцип взаємодії елементів можемо зробити висновок, що у даному виді DC-DC стабілізаторі в процесі роботи відбувається, так би мовити – послідовне переміщення енергії між двома індуктивними елементами.

 

ШІМ (Широтно-Імпульсна Модуляція) або PWM (Pulse Width Modulation)

Ми дуже часто згадували про неї і врешті-решт настав час розібратися що то є таке. Модулювати вхідний, чи то сигнал управління можна різними способами, я не буду їх тут перелічувати, бо ми не будемо цього розглядати. Кожен із способів має свій характерний спектр застосування, а от стосовно ШІМ способу можна сказати, що він набув останнім часом найбільш широкого застосування у пристроях регулювання напруги та потужності. Ще слід додати, що спосіб ШІМ чудово реалізовується як за допомогою аналогових, так і цифрових методів.

У розглянутих нами стабілізаторах DC напруги, для управління ключем, застосовуються комплексні аналогові МС до складу яких входить вузол ШІМ. Але, якщо зазирнути трохи наперед – виходи ШІМ мають і дуже багато різновидів мікроконтролерів (це вже суто цифрові МС), де управління зовнішніми колами відбувається за допомогою програмно-апаратних – цифрових методів.

Основою будь-якого ШІМ регулятора є постійно діючий тактовий генератор. Власне кажучи, процес регулювання відбувається протягом одного такту, тобто – одного періоду тактового генератора, а далі усе повторюється.

Перемикання відбувається з великою швидкістю, відповідно до типу навантаження, з таким розрахунком, щоб період модульованого сигналу був істотно меншим, ніж інерційність системи, до якої подається сигнал. Частота перемикання може становити декілька разів на хвилину для повільних процесів (наприклад електронагрівачі); 100 Гц для електроламп освітлення; від декількох одиниць до десятків кГц для електродвигуна або від десятків до сотень кГц для імпульсних блоків живлення.

Головною відзнакою ШІМ є економічність електронного перемикача. Він перебуває або у вимкненому стані, коли його опір максимальний, напруга максимальна або в режимі насичення – із мінімальним опором, тобто максимальним струмом, а падіння напруги, в такому разі, на ньому близьке до нуля.

Мал. 19

Давайте, для наочності, намалюємо п'ять послідовних тактів (Мал. 19).

Т1, Т2… Т5 це п'ять тактів, або періодів коливань тактового генератора. У кожному такті є імпульс (час сигналу ti) з амплітудою яка дорівнює вхідній напрузі регулятора 12 вольтів та пауза між імпульсами (час спокою tп) відсутність будь-якої амплітуди (напруги). Відношення тривалості ti та tп і задає амплітуду на виході регулятора ШІМ. На нашому малюнку тривалість імпульсу, як і тривалість паузи, складає 50% тривалості такту, тобто, має коефіцієнт заповнення 0.5. Такий сигнал характерний рівномірною черговістю імпульсів, має показник прогальності 2 та властиву йому назву – меандр. При такому сигналі управління (комутації) вихідного каскаду регулятора ШІМ результуюча напруга на його виході становитиме половину вхідної. У нашому випадку 6 вольтів.

Давайте спробуємо регулювати амплітуду на виході ШІМ регулятора. Як уже знаємо вона регулюється відношенням тривалості ti та tп. Припустимо тривалість імпульсу становитиме 10% тривалості періоду, а тривалість паузи – 90%. У такому випадку кажуть ШІМ сигнал має коефіцієнт заповнення 0.1 (10% від тривалості періоду, який приймаємо за 1). При такому заповненні такту амплітуда на виході регулятора буде 1.2 вольта, тобто 0.1 амплітуди вхідного сигналу. Зробимо навпаки. Тривалість імпульсу 90%, тривалість паузи – 10%, тобто, коефіцієнт заповнення 0.9. У цьому разі вихідна амплітуда становитиме 0.9 вхідної – 10.8 В. Усе просто, правда ж.

Регулювання коефіцієнту заповнення може відбуватися як автоматично, так і вручну. Це залежить від потреби. Якщо регулювання відбувається автоматично – кажуть про використання широтно-імпульсного модулятора, якщо регулювання ручне – то вживають термін широтно-імпульсний регулятор.

Яким же чином приліпити сюди термін ПРОГАЛЬНІСТЬ (іноді можна почути термін скважність, але то є калька з російського скважность, цілком допустиме вживання технічного синоніму – шпаруватість) і що це таке? Як пише офіційна фізика це безрозмірний коефіцієнт, який характеризує періодичний імпульсний процес і чисельно дорівнює відношенню періоду повторення імпульсу до його ефективної тривалості. У англомовній літературі для характеристики періодичного імпульсного процесу найчастіше застосовується термін коефіцієнт заповнення (Duty cycle), про те що це таке була розмова вище. Так от – прогальність є величиною оберненою до коефіцієнта заповнення: S=1/D де S – прогальність, D – коефіцієнт заповнення. Візьмемо для прикладу розглянуті нами приклади: при коефіцієнті заповнення 0.1 прогальність становитиме 10, а при коефіцієнті заповнення 0.9 прогальність – 1.11.

Виходячи із цього, амплітуда на виході регулятора буде відповідати частці, де діленим виступає вхідна напруга, а дільником – прогальність.

Як і чому утворюються ці паузи та імпульси? Що зумовлює їхню тривалість?

Найліпше розпочати з широтно-імпульсних регуляторів, де прогальність імпульсів управління задається вручну.

Найпоказовішим у ланці різноманітних ШІР, є регулятор на основі нестабільного мультивібратора із дискретних елементів. Такий пристрій ми вже розглядали (Сходинка восьма. Транзистори. Продовження. Частина перша). І його можна легко перетворити на генератор імпульсів із можливістю змінювати їхню прогальність для управління зовнішніми пристроями. Слід лише не забувати про максимальну здатність навантаження вихідного кола.

 

Мал. 20

Відома нам схема мультивібратора (Мал. 20). Додатковий резистор R5 дозволяє плавно змінювати прогальність імпульсів на його виході.

Мал. 21

Генератор прямокутних імпульсів можна виготовити на базі мікросхеми цифрової логіки (Мал. 21). Він буде працювати як автогенератор, дуже схоже на транзисторний мультивібратор. Мабуть за це така схема отримала назву мультивібратор на мікросхемі. Такі варіанти генератора досить часто зустрічаються у цифрових пристроях, а додавання до кола розрядного резистора потенціометра з двома діодами, дає можливість регулювати прогальність імпульсів на виході. Частота роботи такого генератора залежить від ємності конденсатора С1, а два елементи мікросхеми 3 та 4 увімкнені паралельно для збільшення потужності виходу. Більш детально подібний генератор ми з вами розберемо пізніше, коли дійде черга цифрової логіки.

І третій варіант, який досить часто використовують у схемотехніці широтно-імпульсних регуляторів – мікросхема-таймер 555.  Її призначення – формування поодиноких імпульсів, або серії повторюваних зі стабільними характеристиками.  Мікросхема існує ще із 1971 року і досі популярна завдяки своїй надійності, стабільність параметрів, універсальності та копійчаній вартості. Я надалі обов’язково зроблю детальний огляд мікросхеми NE555. Вона досить цікава хоча б тому, що за свою півстолітню історію не втратила популярності. А поки що, давайте будемо сприймати її як "чорну скриньку" із вісьмома ніжками. 

На базі цієї мікросхеми ви знайдете досить багато різноманітних генераторів, модуляторів, ШІР, реле часу, порогових пристроїв та інше. Їхнє різноманіття сягає сотень, якщо не тисяч різновидів.

 

 

 

Мал. 22

Втім, наша задача розглянути сьогодні пристрій здатний у ручному режимі регулювати прогальність вихідних імпульсів, адже така особливість дозволяє реалізувати на базі цієї мікросхеми саме широтно-імпульсний регулятор.    

 

Перед вами, на Мал. 22, реальна схема ШІР для керування обертами не надто потужного двигуна. Його потужність обмежена можливістю максимального струму навантаження транзистора VT1. Вона цілком підійде для регулювання обертів комп’ютерного вентилятора із живленням 12 вольтів. Але не забувайте! Максимальна потужність застосованого транзистора без радіатора – 1 Вт, а з радіатором – 25 Вт. Частота періоду генератора, при вказаних номіналах компонентів, становить близько 1 кГц, а прогальність вихідного сигналу можна регулювати від 33,33 до 1,03. Виходячи із вище наведеного, рівень напруги на двигуні можна змінити від 12/33,33=0,36В до 12/1,03=11,65В.

Але мікросхема NE555 здатна бути не лише основою ШІР, її можна використати і для побудови ШІМ. Адже її внутрішня структура має у своєму складі компаратори, тригер, саме ті елементи, які є складовими частинами побудови систем автоматичних ШІР, тобто – ШІМ.

 

-------------------------------------------------------------------

ВІДСТУП

лабораторний блок живлення
(основний)

Отже, розглянемо ступеневе регулювання вхідної напруги блока стабілізації та контролю за струмом. Його можна зробити ручним, із перемиканням відводів від вторинної обмотки вручну, за допомогою перемикачів. У такому випадку матимемо ступеневе встановлення вихідної напруги БЖ. Або автоматичним, коли обмотки трансформатора будуть перемикатися самостійно, без втручання користувача, в залежності від рівня вихідної напруги БЖ.

Вашій увазі пропоную дві розповсюджені схеми автоматичного перемикання. Спочатку простіша.

 

Мал. 23

Простота цієї схеми не каже про її недосконалість, втім потребує певних зусиль на доведення її до надійно робочого стану.

 

Комутатор, схем якого наведена на Мал. 23, працює у лінійному режимі. Тому параметри деталей, із яких він складається, суттєво впливають на його роботу. Скажімо, його чутливість певною мірою залежить від коефіцієнту підсилення транзистора VT1. Поріг напруги перемикання обмоток трансформатора – від робочої напруги стабілітрона VD2, а ширина петлі гістерезису ключа, від величини опору резистора R2.

Резистор R1 обмежує струм стабілітрона, а діод VD1 – захищає транзистор від індуктивних сплесків обмотки реле.

Для вас, уже досить обізнаних аматорів, розібратися у взаємодії елементів цієї простенької схеми буде не складно. На клеми "Вих. БЖ" подається напруга з виходу блока живлення. Стабілітрон реагує на цю напругу, відповідно до своєї межі, відкриваючи канал живлення бази транзистора. Струм бази призводить до відкриття транзистора, що у свою чергу викликає відповідну реакцію реле – воно вмикається, перемикаючи своїми контактами вторинну обмотку мережевого трансформатора живлення БЖ на відвід із вищою напругою. При зменшенні вихідної напруги БЖ увесь процес іде у зворотному порядку.

Слід зауважити, що живлення комутатора 12 V ніяк не пов'язане із БЖ. Живиться комутатор від окремого джерела. Це може бути додаткова обмотка на тому ж самому трансформаторі. Це може бути додатковий трансформатор, або навіть невеличке імпульсне джерело живлення. Воно потрібне для живлення необхідних функціональних вузлів: комутатора обмоток, вентиляторів охолодження радіаторів вихідних транзисторів, цифрового вимірювача вихідної напруги та струму і т. ін. Це може бути додатковий трансформатор, або навіть невеличке імпульсне джерело.

 

Продовження статті за посиланням.