Чем регулируется напряжение: Регулирование напряжения трансформаторов

Содержание

Регулирование напряжения генератора

Категория:

Электрооборудование автомобилей

Публикация:

Регулирование напряжения генератора

Читать далее:

Схемы генераторных установок

Регулирование напряжения генератора

Мы уже говорили о необходимости поддержания напряжения генератора в определенных пределах, и что эти функции выполняют регуляторы напряжения, включенные в цепь обмотки возбуждения генератора. Рассмотрим подробнее процесс регулирования.

Рис. 1. Вибрационный регулятор напряжения

На автомобилях для регулирования напряжения генераторов применяются регуляторы напряжения дискретного типа. В основу работы этих регуляторов положен принцип действия различного рода реле. Рассмотрим работу регулятора на примере простейшего вибрационного (электромагнитного) регулятора напряжения (рис. 1).

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Вибрационный регулятор напряжения имеет добавочный резистор, который включается последовательно с обмоткой возбуждения. Величина сопротивления резистора рассчитана на то, чтобы обеспечить необходимое напряжение генератора при максимальной частоте вращения. Обмотка регулятора 00, намотанная на сердечнике, включена на полное напряжение генератора. При неработающем генераторе пружина оттягивает якорек вверх, удерживая контакты в замкнутом состоянии. При этом обмотка возбуждения через контакты и якорек подключена к генератору, минуя резистор

Рис. 2. Рабочие характеристики генераторов

С увеличением частоты вращения ток возбуждения работающего генератора и его напряжение растут. При этом увеличивается ток в обмотке регулятора и намагничивание сердечника. Пока напряжение генератора меньше установленного значения, силы магнитного притяжения якорька 2 к сердечнику 4 недостаточно для преодоления силы натяжения пружины I и контакты 3 регулятора остаются замкнутыми, а ток в обмотку возбуждения проходит, минуя добавочный резистор.

При достижении напряжением генератора значения размыкания Up сила магнитного притяжения якорька к сердечнику преодолевает силу натяжения пружины и контакты регулятора напряжения размыкаются. При этом в цепь обмотки возбуждения включится добавочный резистор и ток возбуждения, достигший к моменту срабатывания значения /р, начнет падать. Уменьшение тока возбуждения повлечет за собой уменьшение напряжения генератора (рис. 2.9).

Уменьшение напряжения генератора сопровождается уменьшением тока в обмотке 00. Когда напряжение уменьшится до значения замыкания, сила натяжения пружины преодолевает силу магнитного притяжения якорька к сердечнику, контакты вновь замкнутся и ток возбуждения начнет вновь возрастать. Далее процесс будет периодически повторяться.

В результате происходит пульсация напряжения генератора и тока возбуждения. Среднее значение напряжения Ucp, измеряемое вольтметром, определяет величину регулируемого напряжения генератора. Напряжение генератора, поддерживаемое регулятором, зависит от натяжения пружины. Изменением натяжения пружины регулируется напряжение генератора.

В реальных конструкциях вибрационных регуляторов напряжения содержится ряд дополнительных узлов, назначение которых — обеспечить повышение частоты колебаний якорька с целью уменьшения пульсаций (ускоряющие обмотки или резисторы), лучшую стабилизацию напряжения (выравнивающие обмотки), уменьшение влияния температуры на величину регулируемого напряжения (добавочные резисторы из нихрома или константана, биметаллические пластины, магнитные шунты). Так как вибрационные регуляторы напряжения в настоящее время почти не применяются, особенности их конструкции не рассматриваются.

Рис. 3. Временные характеристики регулирования напряжения генератора

Недостатком вибрационных регуляторов является наличие V них вибрирующих контактов, которые подвержены износу, и пружины, характеристики которой в процессе эксплуатации меняются. Особенно сильно эти недостатки проявились при переходе от генераторов постоянного тока к генераторам переменного тока, у которых ток возбуждения почти в 2 раза больше. А так как обычный вибрационный регулятор напряжения может работать при токе не более 1,5—1,8 А, то при больших токах контакты регулятора очень быстро изнашиваются.

Для обеспечения возможности использования вибрационных регуляторов с генераторами переменного тока найдено техническое решение, при котором обмотку возбуждения разделяют на две параллельные ветви и в каждую ветвь включают отдельный регулятор напряжения. При этом ток через контакты регулятора уменьшается вдвое.

Для уменьшения силы тока разрыва применяют также двухступенчатый регулятор напряжения, который имеет две пары контактов и добавочный резистор с меньшим сопротивлением.

Однако в последние годы совершенствование регуляторов напряжения шло прежде всего по пути широкого применения полупроводниковых приборов. Сначала появились контактно-транзисторные конструкции, а затем и бесконтактные.

В полупроводниковых регуляторах ток возбуждения регулируется при помощи транзистора, эмиттерно-коллекторная цепь которого включена последовательно с обмоткой возбуждения генератора.

Транзистор работает аналогично контактам вибрационного регулятора. При повышении напряжения генератора выше заданного уровня транзистор переключается в закрытое состояние (разомкнутые контакты). При снижении уровня регулируемого напряжения транзистор переключается в открытое состояние (замкнутые контакты). В состоянии «открыт» транзистор имеет сопротивление в доли ома, в состоянии «закрыт» — бесконечно большое сопротивление.

Контактно-транзисторный регулятор напряжения работает следующим образом. До момента достижения напряжением генератора Ur регулируемого значения контакты вибра-циойного реле разомкнуты. При этом транзистор VT открыт, так как через переход эмиттер-база протекает ток базы Б от « + » генератора через переход эмиттер-база транзистора, резистор R6 на «—» генератора. Сопротивление резистора R6 подбирается таким образом, чтобы ток базы обеспечивал полное отпирание транзистора. По обмотке возбуждения ОВ через эмиттер Э и коллектор К транзистора в этом случае протекает полный ток возбуждения, и напряжение генератора возрастает с возрастанием частоты вращения.

Рис. 4. Контактно-транзисторный регулятор напряжения

Рис. 5. Бесконтактный регулятор напряжения с выходным транзистором типа р—п—р

Рис. 6. Бесконтактный регулятор напряжения с выходным транзистором типа п—р—п

При достижении напряжением генератора регулируемого значения ток в обмотке реле 00 достигает значения, при котором реле срабатывает. При замкнутых контактах реле потенциал базы становится больше потенциала эмиттера благодаря включенному в его цепь диоду VD. Вследствие этого базовый ток становится равным нулю, что приводит к запиранию транзистора. Диод VD обеспечивает активное запирание транзистора.

В результате запирания транзистора ток возбуждения, поддерживаемый э. д. с. самоиндукции обмотки возбуждения, при протекании через гасящий диод VDr уменьшается. При этом уменьшается и напряжение генератора Ur, контакты реле размыкаются и транзистор открывается. Затем процесс повторяется.

Гасящий контур, включающий в себя диод VDr, является обязательным элементом любого транзисторного регулятора. Если бы его не было, э. д. с. самоиндукции обмотки возбуждения, возникающая в моменты закрытого состояния транзистора и достигающая нескольких сотен вольт, могла бы вызвать пробой транзистора и выход его из строя.

В контактно-транзисторном регуляторе напряжения через контакты протекает незначительный ток, благодаря чему увеличивается срок их службы. Однако надежность работы регулятора по-прежнему определяется возможной разрегулировкой.

Указанный недостаток исключен в бесконтактных схемах регулирования напряжения.

Бесконтактный регулятор напряжения содержит транзистор VT1, который выполняет функции контактов в кон-тактно-транзисторном регуляторе. Управление транзистором VT1 производится посредством резисторов Rl, R2 и стабилитрона VD1.

При напряжении генератора меньше регулируемого значения напряжение на резисторе R1, включенном параллельно” стабилитрону VD1, меньше значения, соответствующего рабочему пробою стабилитрона. Стабилитрон при этом ток не проводит, следовательно, ток базы транзистора VT1 равен нулю. Транзистор VT1 при этом закрыт, а транзистор VT2 открыт.

При достижении напряжением генератора регулируемого значения напряжение на резисторе R1 повышается до значения, при котором стабилитрон пробивается, т. е. его сопротивление в обратном направлении резко уменьшается. В результате возникает ток базы транзистора VT1, протекающий по цепи: «-» генератора — переход эмиттер-база транзистора VT1 — стабилитрон VD1 — резистор R2 — «—» генератора. Транзистор VT1 при эдом открывается, транзистор VT2 запирается, а ток возбуждения и напряжение генератора уменьшаются. Вследствие этого напряжение на стабилитроне снижается ниже напряжения стабилизации, и он запирается, прерывая ток базы транзистора VT1. Транзистор VT1 запирается, а транзистор VT2 переключается в открытое состояние и т. д.

Соотношение величин сопротивлений резисторов R1 и R2 определяет уровень регулируемого напряжения.

Мы рассмотрели схему регулятора, в котором выходным является транзистор типа р—п—р (прямой проводимости). Схема управления таким транзистором позволяет включать обмотку возбуждения генератора между коллектором и отрицательным выводом генератора.

Рассмотрим простейшую схему регулятора напряжения с использованием транзистора типа п—р—п (обратной проводимости). В данной схеме обмотка возбуждения включена между коллектором транзистора VT2 и положительным выводом генератора. Работает схема следующим образом. Когда напряжение генератора меньше регулируемого значения, напряжение на стабилитроне VD1 меньше его напряжения стабилизации. Стабилитрон закрыт, отсутствует ток базы транзистора VT1, и он также закрыт. При этом выходной транзистор VT2 открыт током базы, протекающим по цепи: « + » генератора — резистор R3—диод VD2 — переход база-эмиттер транзистора VT2—«—» генератора. В результате через коллектор и эмиттер транзистора VT2 к обмотке возбуждения протекает ток.

Когда напряжение генератора достигает регулируемого значения, происходит рабочий пробой стабилитрона VD1. Это достигается необходимым соотношением сопротивлений резисторов R1 и R2. При пробое стабилитрона появляется ток базы транзистора VT1, и он открывается. Открытый транзистор шунтирует резистор R4, и ток в нем прекращается. В результате потенциалы базы и эмиттера транзистора VT2 становятся одинаковыми, и он закрывается, прерывая ток возбуждения.

Основные способы и средства регулирования напряжения

Страница 62 из 66

Регулирование напряжения на генераторах электрических станций.

Регулирование напряжения на генераторах станций выполняют в зависимости от нагрузки потребителей. При увеличении нагрузки напряжение генераторов стараются повысить, а при ее снижении — понизить. Такое, согласованное с изменением нагрузки, регулирование напряжения называется встречным регулированием напряжения.

Встречное регулирование напряжения выполняют с целью скомпенсировать потери напряжения в сети и приблизить уровни напряжения у потребителей к номинальным. На небольших электрических станциях районного или межрайонного значения встречное регулирование осуществляют вручную или автоматически, в зависимости от графика нагрузки потребителей. Допустимые пределы изменения напряжения на генераторах составляют ± 5% от номинального. При более глубоком регулировании мощность генератора должна быть снижена.
При питании потребителей электроэнергии, подключенных непосредственно к шинам станции, диапазоны регулирования обычно уменьшаются до значений ± 2,5% Uном.

Для компенсации потерь напряжения в отходящих линиях, присоединенных непосредственно к шинам электростанции, таких ограниченных диапазонов регулирования бывает недостаточно. Кроме того, различие в графиках нагрузки отдельных групп потребителей не позволяет сохранить качество напряжения у всех потребителей сети в пределах технически допустимых значений, даже при встречном регулировании напряжения. Поэтому регулирование напряжения на генераторах не может решить вопроса сохранения качества напряжения и применяется как вспомогательное для улучшения общего уровня напряжения в сетях.
Основным методом регулирования напряжения в начале сети является централизованное регулирование на питающих подстанциях или в центрах (пунктах) питания распределительных линий. Это регулирование осуществляется специальными трансформаторами со встроенным регулированием напряжения под нагрузкой (трансформаторы с РПН) или на более крупных подстанциях вольтодобавочными трансформаторами.

Эти методы регулирования напряжения рассматриваются ниже.

Регулирование напряжения на силовых трансформаторах.

Регулирование напряжения на трансформаторах может быть выполнено как с помощью переключения ответвлений их обмоток без возбуждения (ПБВ), т. е. при отключенном от сети трансформаторе, так и переключен и ем ответвлений под нагрузкой (РПН). Каждый понижающий трансформатор снабжен переключателем, к которому подводятся ответвления обмотки высшего напряжения, выполненные для случая ПБВ в пределах± 5% или ±2X2,5%. Таким образом, переключатели ПБВ обеспечивают общий диапазон регулирования в пределах 10%, который можно изменить, предварительно отключив трансформатор от сети.

В устройствах РПН применяются специальные переключатели, обеспечивающие переключение ответвлений обмотки трансформатора при его работе под нагрузкой, т. е. без предварительного отключения трансформатора. Изменение коэффициента трансформации таких трансформаторов осуществляется, как правило, автоматически, от реле напряжения, воздействующего на привод переключающего устройства. Диапазоны регулирования напряжения для таких трансформаторов (их называют регулируемыми) приняты более широкими — в размере 10—15% ступенями по 1,5—2,5% каждая.
В настоящее время электропромышленность выпускает регулируемые трансформаторы в широком диапазоне мощностей и напряжений (см. приложение 2 и 3). Такие трансформаторы обычно имеют обозначение ТМН (трансформаторы с естественным масляным охлаждением, регулированием напряжения под нагрузкой) в отличие от трансформаторов типа ТМ с переключателями ПБВ. Переключатели РПН располагают в обмотках высшего напряжения для облегчения переключающей аппаратуры. Они помещены или в отдельные кожухи, наполненные маслом (у трансформаторов средних и крупных мощностей), пли в общем баке трансформатора для малых мощностей. Схемы переключателей обеспечивают переход подвижных контактов с одного ответвления обмотки на другое в строгой последовательности, исключающей разрыв тока нагрузки, позволяющей выполнить переключение без предварительного отключения трансформаторов от сети.

Рис. 154. Принципиальные схемы обмоток регулируемых трансформаторов.

а — напряжением 10/04 кВ, б — напряжением 35/10 кВ
На рис. 154 показаны принципиальные схемы обмоток регулируемых трансформаторов, снабженных переключателями РПН. Схема (рис. 154, а) применена для трансформаторов 10/04 кВ мощностью до 400 кВА, переключатель имеет шесть ступеней регулировки (две в сторону уменьшения и четыре в сторону увеличения напряжения, размером по 2,5% каждая). Главный подвижный контакт переключателя 1 связан с вспомогательным контактом 2, в цепи которого установлено токоограничивающее сопротивление. Оно ограничивает величину тока короткозамкнутой секции витков обмотки при нахождении контактов 1 и 2 на разных ответвлениях в процессе перехода с одного ответвления на другое. В рабочем положении оба контакта находятся на одном ответвлении, и ток нагрузки проходит через основной контакт 1.

На рис. 154, б показана принципиальная схема регулировочной части обмотки РО трансформатора 35/10 кВ с переключателем, обеспечивающим регулирование напряжения в пределах ±4 X 2,5% (т. е. ± 10%). В качестве токоограничивающего сопротивления использован реактор Р, рассчитанный на более длительное протекание тока при переключении со ступени на степень. Подвижные контакты ПК в рабочем положении так же, как и в предыдущей схеме, установлены на каком-либо одном ответвлении регулировки.

При переключениях с одного ответвления на другое строго соблюдается очередность движения контактов переключателя, при которой цепь предыдущего ответвления размыкается только после предварительного замыкания цепи последующего ответвления, благодаря чему не происходит разрыва цепи тока нагрузки.

Рис. 155. Регулируемый трансформатор типа ТМН мощностью 1000—1600 кВ А, напряжением 35/11 кВ: 1 — бак трансформатора, 2 — бак контактора, 3 — редуктор 4 — вал, 5 — приводной механизм

Рис. 156. Схема включения в сеть (а) и соединения обмоток (б) вольтодобавочного автотрансформатора типа ЛТМ

Перемещение подвижных контактов переключателей регулируемых трансформаторов осуществляется электродвигательным приводным механизмом, а также может быть выполнено вручную. На рис. 155 показан регулируемый трансформатор типа ТМН, мощностью 1000— 1600 кВА, напряжением 35/11 кВ. В баке трансформатора 1 размещена выемная часть с обмотками и переключателем ответвлений, в баке 2 — контактор переключателя с токоограничивающими сопротивлениями. Через редуктор 3 и вал 4 контактор переключателя связан с приводным механизмом 5, снабженным съемной рукояткой для ручного привода. В остальном трансформатор типа ТМН мало отличается от конструкции обычного трансформатора типа ТМ.

Применение вольтодобавочных автотрансформаторов.

Для регулирования напряжения в линиях применяют линейные или сетевые регуляторы напряжения. В качестве таких регуляторов в сельских сетях используют вольтодобавочные автотрансформаторы типа ЛТМ мощностью 400 и 630 кВА. Их включают последовательно в тех участках сети, где требуется повысить (или понизить) напряжение для группы подстанций потребителей, присоединенных к этому участку. Схемы включения трехфазного автотрансформатора типа ЛТМ на шесть ступеней регулирования показаны на рис. 156. Автотрансформаторы оборудованы устройством автоматического регулирования напряжения под нагрузкой в пределах +5 и — 10% от номинального напряжения линии ступенями по 2,5%.

Кроме силовой обмотки высшего напряжения 1 с регулировочной обмоткой 3 автотрансформатор имеет обмотку низкого напряжения 2 (см. рис. 156) для питания схемы автоматики.
Переключатель ответвлений расположен внутри бака автотрансформатора над магнитопроводом. Приводной механизм, состоящий из промежуточного редуктора и приводного электродвигателя, размещен на стенке бака снаружи. Приводной механизм оборудован конечными выключателями, размыкающими цепь питания приводного электродвигателя при достижении контактами переключателя крайних положений.

Устройство автоматического управления помещено в отдельном шкафу, который может размещаться как в непосредственной близости, так и на некотором расстоянии (до 5 м) от автотрансформатора. Питание шкафа автоматики осуществляется от обмотки низкого напряжения при помощи специального шлангового кабеля со штепсельным разъемом.

Рис. 157. Схема последовательного включения конденсаторов в линию

Вольтодобавочные автотрансформаторы имеют шесть линейных выводов высокого напряжения: А1В1С1 — входные и А2В2С2— выходные. Выводы вспомогательной обмотки низшего напряжения для питания шкафа автоматики расположены на стенке бака автотрансформатора.

Применение вольтодобавочных автотрансформаторов помогает обеспечить технически допустимые пределы по отклонениям напряжения у потребителей и облегчает условия эксплуатации всей сети в целом.

Использование конденсаторов, включенных последовательно.

Последовательное включение в линию конденсаторов позволяет резко снизить индуктивное сопротивление проводов линии и уменьшить потерю напряжения в ней. Поэтому установки последовательно включенных конденсаторов (сокращенно УПК) применяют для улучшения режимов напряжения в сетях. Схема включения УПК показана на рис. 157. В цепь, состоящую из активного rл и реактивного хл сопротивлений линии, включают последовательно емкостное сопротивление конденсатора хк. Общее реактивное сопротивление цепи будет равно их разности, т. е. хобщ = хл — хк.

Таким образом, за счет введения в цепь емкостного сопротивления общее реактивное сопротивление линии уменьшается, а напряжение повышается. Уменьшение потери напряжения зависит от величины коэффициента мощности нагрузки: чем ниже коэффициент мощности, тем эффективнее применение конденсаторов. Надбавка напряжения, создаваемая конденсаторами, зависит также от величины тока нагрузки и тем выше, чем больше ток. Поэтому с ростом нагрузки эффект компенсации потери напряжения возрастает.
Особенно эффективно применение последовательно включенных конденсаторов в линиях с резкопеременной нагрузкой. В частности, успешно компенсируются потери напряжения при запусках крупных электродвигателей, когда имеет место большой пусковой ток с низким коэффициентом мощности. При установке конденсаторов обеспечивается мгновенное изменение напряжения, что предотвращает и мигание ламп освещения при колебаниях нагрузки. Таким образом, при наличии последовательно включенных конденсаторов питание силовых и осветительных нагрузок может быть выполнено совместно.

Установки последовательно включенных конденсаторов применяют в распределительных сетях напряжением 6—35 кВ. Конденсаторы обладают хорошей перегрузочной способностью. Однако при сквозных коротких замыканиях в линии на их зажимах могут возникнуть значительные по величине перенапряжения. Поэтому их приходится защищать искровыми промежутками или шунтировать специальными контакторами (см. рис. 157).
Устанавливают конденсаторы обычно в конце радиальной воздушной линии, так как при этом уровни напряжения в ней ниже и конденсаторы меньше будут подвержены перенапряжениям, так как большинство коротких замыканий будет до них, а не за ними (ток короткого замыкания при этом через конденсаторы проходить не будет).

Выбирают конденсаторы по рабочему току линии, независимо от номинального напряжения в сети. Их соединяют в батареи отдельными группами и надежно изолируют от земли.

Назад
Вперёд

Типы регуляторов напряжения и принцип работы | Артикул

СКАЧАТЬ PDF

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик – рассылка раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Как работает регулятор напряжения?

Регулятор напряжения представляет собой схему, которая создает и поддерживает фиксированное выходное напряжение независимо от изменений входного напряжения или условий нагрузки.

Регуляторы напряжения (VR) поддерживают напряжение от источника питания в диапазоне, совместимом с другими электрическими компонентами. Хотя регуляторы напряжения чаще всего используются для преобразования мощности постоянного тока в постоянный, некоторые из них также могут выполнять преобразование мощности переменного тока в переменный или переменный в постоянный. В этой статье речь пойдет о регуляторах напряжения постоянного/постоянного тока.

Типы регуляторов напряжения: линейные и импульсные

Существует два основных типа регуляторов напряжения: линейные и импульсные. Оба типа регулируют напряжение в системе, но линейные стабилизаторы работают с низким КПД, а импульсные стабилизаторы — с высоким КПД. В высокоэффективных импульсных стабилизаторах большая часть входной мощности передается на выход без рассеяния.

Линейные регуляторы

В линейном регуляторе напряжения используется активное проходное устройство (такое как BJT или MOSFET), которое управляется операционным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, линейный регулятор регулирует сопротивление проходного устройства, сравнивая внутреннее опорное напряжение с дискретизированным выходным напряжением, а затем сводя ошибку к нулю.

Линейные регуляторы представляют собой понижающие преобразователи, поэтому по определению выходное напряжение всегда ниже входного. Однако у этих стабилизаторов есть несколько преимуществ: они, как правило, просты в конструкции, надежны, экономичны, имеют низкий уровень шума и пульсации выходного напряжения.

Для работы линейных регуляторов, таких как MP2018, требуется только входной и выходной конденсатор (см. рис. 1) . Их простота и надежность делают их интуитивными и простыми устройствами для инженеров, и часто они очень рентабельны.

Рис. 1: Линейный регулятор MP2018

Импульсные регуляторы

Схема импульсного регулятора, как правило, более сложная для проектирования, чем линейный регулятор, и требует выбора номиналов внешних компонентов, настройки контуров управления для обеспечения стабильности и тщательной компоновки схемы.

Импульсные регуляторы могут быть понижающими преобразователями, повышающими преобразователями или их комбинацией, что делает их более универсальными, чем линейные регуляторы.

Преимущества импульсных стабилизаторов заключаются в том, что они очень эффективны, имеют лучшие тепловые характеристики и могут поддерживать более высокие токи и более широкие приложения VIN/VOUT. Они могут достичь более 9Эффективность 5% в зависимости от требований приложения. В отличие от линейных стабилизаторов, для импульсной системы питания могут потребоваться дополнительные внешние компоненты, такие как катушки индуктивности, конденсаторы, полевые транзисторы или резисторы обратной связи. HF920 является примером импульсного стабилизатора, обеспечивающего высокую надежность и эффективное регулирование мощности (см. рис. 2) .

Рис. 2: Импульсный регулятор HF920

Ограничения регуляторов напряжения

Одним из основных недостатков линейных регуляторов является то, что они могут быть неэффективными, поскольку в некоторых случаях рассеивают большое количество энергии. Падение напряжения линейного регулятора сравнимо с падением напряжения на резисторе. Например, при входном напряжении 5 В и выходном напряжении 3 В между клеммами возникает падение на 2 В, а КПД ограничен 3 В/5 В (60%). Это означает, что линейные регуляторы лучше всего подходят для приложений с более низкими дифференциалами VIN/VOUT.

Важно учитывать предполагаемое рассеивание мощности линейного стабилизатора при применении, поскольку использование более высоких входных напряжений приводит к высокому рассеиванию мощности, что может привести к перегреву и повреждению компонентов.

Другим ограничением линейных стабилизаторов напряжения является то, что они способны только к понижающему (понижающему) преобразованию, в отличие от импульсных стабилизаторов, которые также обеспечивают повышающее (повышающее) и понижающе-повышающее преобразование.

Импульсные стабилизаторы очень эффективны, но некоторые недостатки включают то, что они, как правило, менее рентабельны, чем линейные регуляторы, больше по размеру, более сложны и могут создавать больше шума, если их внешние компоненты не выбраны тщательно. Шум может быть очень важен для данного приложения, так как шум может влиять на работу и характеристики схемы, а также на характеристики электромагнитных помех.

Топологии импульсных регуляторов: понижающий, повышающий, линейный, LDO и регулируемый

Существуют различные топологии линейных и импульсных регуляторов. Линейные регуляторы часто полагаются на топологии с малым падением напряжения (LDO). Импульсные стабилизаторы бывают трех распространенных топологий: понижающие преобразователи, повышающие преобразователи и повышающе-понижающие преобразователи. Каждая топология описана ниже:

Регуляторы LDO

Одной из популярных топологий для линейных стабилизаторов является регулятор с малым падением напряжения (LDO). Линейные стабилизаторы обычно требуют, чтобы входное напряжение было как минимум на 2 В выше выходного напряжения. Однако регулятор LDO предназначен для работы с очень небольшой разницей напряжений между входными и выходными клеммами, иногда всего 100 мВ.

Понижающие и повышающие преобразователи

Понижающие преобразователи (также называемые понижающими преобразователями) принимают более высокое входное напряжение и производят более низкое выходное напряжение. И наоборот, повышающие преобразователи (также называемые повышающими преобразователями) потребляют более низкое входное напряжение и производят более высокое выходное напряжение.

Понижающе-повышающие преобразователи

Понижающе-повышающий преобразователь представляет собой одноступенчатый преобразователь, который сочетает в себе функции понижающего и повышающего преобразователя для регулирования выходного напряжения в широком диапазоне входных напряжений, которые могут быть больше или меньше выходного Напряжение.

Управление регулятором напряжения

Четыре основных компонента линейного регулятора — проходной транзистор, усилитель ошибки, источник опорного напряжения и резисторная цепь обратной связи. Один из входов усилителя ошибки устанавливается двумя резисторами (R1 и R2) для контроля выходного напряжения в процентах. Другой вход представляет собой стабильное опорное напряжение (VREF). Если дискретизированное выходное напряжение изменяется относительно VREF, усилитель ошибки изменяет сопротивление проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения (VOUT).

Для работы линейных регуляторов обычно требуется только внешний входной и выходной конденсатор, что упрощает их реализацию.

С другой стороны, импульсный регулятор требует больше компонентов для создания цепи. Силовой каскад переключается между VIN и землей для создания пакетов заряда для доставки на выход. Подобно линейному регулятору, имеется операционный усилитель, который считывает выходное напряжение постоянного тока из сети обратной связи и сравнивает его с внутренним опорным напряжением. Затем сигнал ошибки усиливается, компенсируется и фильтруется. Этот сигнал используется для модуляции рабочего цикла ШИМ, чтобы вернуть выход в режим регулирования. Например, если ток нагрузки быстро увеличивается и вызывает падение выходного напряжения, контур управления увеличивает рабочий цикл ШИМ, чтобы обеспечить больший заряд нагрузки и вернуть шину в режим регулирования.

Линейные и импульсные регуляторы

Линейные регуляторы часто используются в приложениях, которые чувствительны к стоимости, шуму, слабому току или ограниченному пространству. Некоторые примеры включают бытовую электронику, такую как наушники, носимые устройства и устройства Интернета вещей (IoT). Например, в таких приложениях, как слуховой аппарат, может использоваться линейный регулятор, поскольку в них нет переключающего элемента, который может создавать нежелательные шумы и мешать работе устройства.

Более того, если разработчики в основном заинтересованы в создании недорогого приложения, им не нужно так беспокоиться о рассеиваемой мощности, и они могут положиться на линейный регулятор.

Импульсные регуляторы выгодны для более общих применений и особенно полезны в приложениях, требующих эффективности и производительности, таких как потребительские, промышленные, корпоративные и автомобильные приложения (см. рис. 3) . Например, если приложение требует большого понижающего решения, лучше подойдет импульсный регулятор, поскольку линейный регулятор может создавать рассеивание высокой мощности, что может повредить другие электрические компоненты.

Рисунок 3: Понижающий регулятор MPQ4430-AEC1

Каковы основные параметры микросхемы регулятора напряжения?

Некоторые из основных параметров, которые следует учитывать при использовании регулятора напряжения, — это входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток. Эти параметры используются для определения того, какая топология VR совместима с IC пользователя.

Другие параметры, включая ток покоя, частоту переключения, тепловое сопротивление и напряжение обратной связи, могут иметь значение в зависимости от применения.

Ток покоя важен, когда эффективность при малой нагрузке или в режиме ожидания является приоритетом. При рассмотрении частоты коммутации в качестве параметра максимизация частоты коммутации приводит к меньшим системным решениям.

Кроме того, тепловое сопротивление имеет решающее значение для отвода тепла от устройства и рассеивания его по системе. Если в состав контроллера входит внутренний МОП-транзистор, то все потери (кондуктивные и динамические) рассеиваются в корпусе и должны учитываться при расчете максимальной температуры ИС.

Напряжение обратной связи — еще один важный параметр, который необходимо проверить, поскольку он определяет минимальное выходное напряжение, которое может поддерживать регулятор напряжения. Стандартно смотреть на опорные параметры напряжения. Это ограничивает более низкое выходное напряжение, точность которого влияет на точность регулирования выходного напряжения.

Как правильно выбрать регулятор напряжения

Чтобы правильно выбрать регулятор напряжения, разработчик должен сначала понять его ключевые параметры, такие как V _IN , V _OUT , I _OUT , системные приоритеты (например, эффективность, производительность, стоимость) и любые дополнительные ключевые функции, такие как индикация исправности (PG) или включение управления.

После того как разработчик определил эти требования, используйте таблицу параметрического поиска, чтобы найти лучшее устройство, отвечающее заданным требованиям. Таблица параметрического поиска является ценным инструментом для проектировщиков, поскольку она предлагает различные функции и пакеты, доступные для соответствия требуемым параметрам вашего приложения.

Каждое устройство MPS поставляется с техническим описанием, в котором указано, какие внешние детали необходимы, и как рассчитать их значения для достижения эффективной, стабильной и высокопроизводительной конструкции. Техническое описание можно использовать для расчета значений компонентов, таких как выходная емкость, выходная индуктивность, сопротивление обратной связи и других ключевых компонентов системы. Кроме того, вы можете использовать инструменты моделирования, такие как DC/DC Designer или программное обеспечение MPSmart, обращаться к примечаниям по применению или обращаться к местному FAE с вопросами.

MPS предлагает широкий выбор эффективных, компактных линейных и импульсных регуляторов напряжения, включая семейство HF500-x, семейство MP171x, MP20056, MP28310, MPQ4572-AEC1 и MPQ2013-AEC1.

Ссылки

Глоссарий по электронике

______________________________

Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц!

Технический форум

Получить техническую поддержку

Понимание того, как работает регулятор напряжения

Регулятор напряжения генерирует фиксированное выходное напряжение заданной величины, которое остается постоянным независимо от изменений входного напряжения или условий нагрузки. Регуляторы напряжения бывают двух типов: линейные и импульсные.

В линейном регуляторе используется активное (BJT или MOSFET) проходное устройство (последовательное или шунтовое), управляемое дифференциальным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Он сравнивает выходное напряжение с точным эталонным напряжением и регулирует проходное устройство для поддержания постоянного выходного напряжения.

Импульсный стабилизатор преобразует входное постоянное напряжение в коммутируемое напряжение, подаваемое на силовой МОП-транзистор или биполярный транзистор. Отфильтрованное выходное напряжение переключателя питания подается обратно в схему, которая управляет временем включения и выключения переключателя питания, так что выходное напряжение остается постоянным независимо от входного напряжения или изменений тока нагрузки.

Существует три распространенные топологии: buck (понижающая), boost (повышающая) и buck-boost (повышающая/понижающая). Другие топологии включают обратноходовую, SEPIC, Cuk, двухтактную, прямую, полномостовую и полумостовую топологии.

Более высокие частоты переключения означают, что регулятор напряжения может использовать катушки индуктивности и конденсаторы меньшего размера. Это также означает более высокие потери при переключении и больший шум в цепи.

Потери возникают из-за мощности, необходимой для включения и выключения MOSFET, которые связаны с драйвером затвора MOSFET. Кроме того, потери мощности в МОП-транзисторах происходят из-за того, что для переключения из состояния проводимости в состояние непроводимости требуется конечное время. Потери также связаны с энергией, необходимой для зарядки и разрядки емкости затвора MOSFET между пороговым напряжением и напряжением затвора.

Рассеиваемая мощность линейного стабилизатора прямо пропорциональна его выходному току при заданном входном и выходном напряжении, поэтому типичный КПД может составлять 50 % или даже ниже. Используя оптимальные компоненты, импульсный регулятор может достигать КПД в диапазоне 90%. Однако выходной шум линейного стабилизатора намного ниже, чем у импульсного стабилизатора с такими же требованиями к выходному напряжению и току. Как правило, импульсный регулятор может работать с более высокими токовыми нагрузками, чем линейный регулятор.

Импульсные стабилизаторы требуют средств для изменения их выходного напряжения в ответ на изменения входного и выходного напряжения. Один из подходов заключается в использовании ШИМ, который управляет входом соответствующего выключателя питания, который управляет временем включения и выключения (рабочим циклом). Во время работы отфильтрованное выходное напряжение регулятора подается обратно на ШИМ-контроллер для управления рабочим циклом. Если отфильтрованный выход имеет тенденцию к изменению, обратная связь, подаваемая на ШИМ-контроллер, изменяет рабочий цикл для поддержания постоянного выходного напряжения.