Шапка

Часть 9 Регуляторы напряжения и преобразователи мощности

Управление мощностью, её преобразование и разработка источников питания - очень большой и интересный раздел электроники и электротехники. Сюда относятся задачи создания, передачи, преобразования постоянных напряжений ( в том числе свыше киловольта ) и токов ( в том числе, превышающих килоампер ), источники для носимой аппаратуры ( батареи ) и микропотребляющих схем ( сбор энергии ). Наибольший интерес вызывают вопросы получения токов и напряжений, которые требуются при разработке конкретных устройств.

Практически все электронные схемы от отдельных транзисторов и операционных усилителей и до сложных цифровых вычислительных систем требуют минимум одного источника стабильного постоянного напряжения. Простая конструкция из трансформатора, выпрямителя и конденсатора, которая обсуждалась в Части _1 , в большинстве случаев совершенно неадекватна задаче, т.к. выходное напряжение будет меняться при изменении тока нагрузки и напряжения в силовой сети. Кроме того, в выходном напряжении присутствуют существенные пульсации с частотой переменного напряжения ( 120 Hz или 100 Hz ) . К счастью, благодаря отрицательной обратной связи и наличию источников опорного напряжения, сделать блок питания со стабильным напряжением не слишком сложно. Такие устройства находят широкое применение и строятся с использованием микросхем интегральных регуляторов, которым требуется только входное нерегулируемое напряжение ( тот самый трансформатор-выпрямитель-фильтр _1 , батарея или что-либо подобное ) и несколько дополнительных деталей.

В этой части рассматриваются конструкции стабилизаторов напряжения на специализированных микросхемах. Описываемые идеи можно использовать и при создании регуляторов на дискретных компонентах ( транзисторах, резисторах и т.д. ), но из-за доступности недорогих микросхем регуляторов с высокими параметрами получить каких-либо преимущества от использования дискретных компонентов не получится. Регуляторы напряжения относятся к группе схем с большой рассеиваемой мощностью, поэтому придётся поговорить о теплоотводах и методах снижения токов короткого замыкания для ограничения рабочей температуры транзисторов. Данные методы подходят для мощных схем всех видов, включая усилители. Разобравшись с регуляторами, можно будет возвратиться к теме нерегулируемых источников и обсудить их чуть подробнее. Здесь же разбираются источники опорного напряжения, в том числе в интегральном исполнении, которые широко используются вне контекста электропитания ( например, в аналого-цифровом преобразовании ).

Знакомство начнётся с линейных регуляторов, в которых для удержания постоянного выходного напряжения обратная связь воздействует на проводимость последовательно включённого «проходного транзистора». Затем следует важная тема ключевых регуляторов, в которых один или несколько транзисторов перекачивают энергию катушки индуктивности ( или конденсатора ) в нагрузку за счёт быстрого переключения связей. В первом приближении линейные регуляторы проще и создают более «чистое» ( свободное от шума ) выходное напряжение, а ключевые - компактнее и имеют более высокий КПД ( рис. 9.1 ), но более шумные и обычно более сложные.

Рис. 9.1   Ключевые источники питания меньше по габаритам и имеют больший КПД, чем обычные линейные, но при работе создают неустранимый электрический шум

Было бы неправильно думать, что регуляторы напряжения используются только в сетевых источниках питания. С их помощью создаются дополнительные линии питания из уже имеющегося в схеме стабилизированного напряжения. Совершенно обычна ситуация, когда номиналы +2.5 или +3.3 V получаются из напряжения +5V . Это легко делать с помощью линейных регуляторов, в которых обратная связь поддерживает постоянное выходное напряжение, более низкого уровня, управляя падением на регулирующем элементе. Гораздо интереснее то, что ключевые регуляторы могут преобразовывать входное напряжение в более высокое выходное или в напряжение иной полярности, или в постоянный ток, например, для питания осветительных светодиодов. Всё те же задачи возникают и в батарейных устройствах. В жизни все указанные задачи, к которым относится также создание переменного напряжения, описываются термином преобразование питания.

1 Иногда трансформатор из этого набора выкидывают. Такое положение наиболее характерно для ключевых источников питания ( SMPS ), см. §9.6 . <-

Previous part:

Next part: