Завдання створення майже нерассеівающего потужність джерела живлення легко вирішується, якщо відсутня вимога стабілізації. В цьому випадку для змінних напруг підійшов би простий трансформатор, а для постійних напруг инвертор або перетворювач. Правильно розрахований трансформатор практично розсіює дуже невелику потужність, а вихідна напруга можна легко встановити просто змінюючи ставлення числа витків первинної і вторинної обмоток. Теж саме має місце в инвертор або перетворювачі, що використовують високочастотний трансформатор, коефіцієнт трансформації якого також можна змінювати.

Вимога стабілізації вихідної напруги або струму, незважаючи на зміни вхідного напруги, значно ускладнює справу. Стабілізація зазвичай включає процес виправлення помилки за допомогою схеми, яка може стежити за вихідним напругою і виконувати необхідну корекцію для утримання вихідної напруги в точно встановлених межах. Трансформатор не дозволяє це зробити, тому що важко варіювати відношення числа витків; є механічні способи зміни коефіцієнта трансформації, наприклад, варіак або автотрансформатор з плавним регулюванням, але швидка, точна стабілізація вимагає чисто електронних методів. По суті все, що необхідно – це чисто електронний процес перетворення електричної енергії від одного напруги до іншого. В ідеальному випадку він повинен відбуватися без помітного розсіювання енергії.

Сучасний імпульсний стабілізатор задовольняє цій вимозі завдяки процесу комутації, який передбачає тимчасове зберігання енергії в індуктивному елементі, як це показано на рис. 6.2Е. Насправді котушка індуктивності призначена для того, щоб накопичити енергію протягом часу, коли послідовний ключ включений, і віддати її протягом часу, коли ключ вимкнено. Вихідна напруга або струм імпульсного стабілізатора регулюються простим зміною тривалості робочого циклу або частоти процесу перемикання. Це завдання відносно легко вирішується за допомогою електроніки.

Спочатку цей принцип перетворення енергії можна проілюструвати на прикладі роботи простої схеми однополупериодного випрямляча, зображеного на рис. 6.4. Випрямний діод фактично виконує функцію перемикання, яке синхронізоване так, щоб енергія надходила в навантаження у вигляді імпульсів напруги, що мають позитивну полярність.

Рис. 6.4. Наочне уявлення процесу перемикання в простій схемі випрямляча. Процес перемикання в однополуперіодних випрямлячі синхронізований з моментом проходження через нуль напруги змінного струму у вторинній обмотці. Вважається, що діод ідеальний, тобто має нульову різниця потенціалів у відкритому стані, нульове пряме опір і нескінченне зворотне опір.

Якщо тепер послідовно з навантаженням включити котушку індуктивності, як показано на малюнку. 6.5, то імпульси енергії, що надходить в навантаження, подовжуються так, що стають більше напівперіоду прикладається змінної напруги. З розімкнутим перемикачем імпульси ніколи не можуть накластися один на інший, щоб сформувати постійну напругу на навантаженні. Але із замкнутим перемикачем енергія, запасена у вигляді магнітного поля в котушці індуктивності, виділяється в навантаженні протягом часу, коли діод не проводить. Відповідним вибором індуктивності котушки і опору резистора можна домогтися, щоб енергія надходила в навантаження безперервно, з дуже невеликими пульсаціями.

Розмір котушки або значення індуктивності обернено пропорційно пов’язані з робочою частотою, або точніше частотою повторення імпульсів. У системі, що працює з частотою мережі 60 Гц, схема однополупериодного випрямляча дає 60 імпульсів в секунду, а двухполуперіодної або бруківка схеми дають 120 імпульсів в секунду, що удвічі вище частоти на вході (це основна причина, по якій двухполуперіодної і бруківка схеми переважно простий однополуперіодної схеми).

Зменшення індуктивності стає дуже великою, якщо частота імпульсів піднімається з 60 Гц до (наприклад) 60 кГц, а це призводить до зниження габаритів і вартості, хоча в меншій пропорції. Тим Проте, видно суттєву перевагу імпульсних джерел живлення, що працюють з високими частотами перемикання.

Рис. 6.5. Неефективний, але наочний метод отримання постійного струму. Незважаючи на те, що випрямний діод видає імпульси протягом напівперіоду, через котушку індуктивності в навантаження надходить безперервний струм.

Повертаючись до рис. 6.5, бачимо, що при використанням простого резистора виникає проблема розсіювання в ньому енергії, тобто, є втрата енергії, що перешкоджає реалізації нашої мети – створити майже не розсіюють потужність джерело живлення. Хоча наявність резистора можна використовувати для того, щоб розтягнути в часі виділення енергії, запасеної в котушці індуктивності, але це відбувається лише за рахунок поглинання частини цієї енергії. На щастя, ця проблема легко подолати.

Якщо резистор замінити другий діод, отримаємо схему, наведену на рис. 6.6. Вважаючи, що діоди ідеальні отримуємо, що операція перемикання виконується без розсіювання енергії; коли діод проводить, його пряме опір фактично дорівнює нулю, а коли не проводить, його зворотне опір настільки велике, що може вважатися нескінченним. Коли діод D \ проводить, енергія надходить в котушку індуктивності, і відбувається це тільки протягом часу, поки вхідна напруга змінного струму перевищує напругу на навантаженні. Діод DQ. забезпечує шлях струму котушки індуктивності протягом часу, коли не проводить діод D \, як показано на рис. 6.6. Хоча на малюнку показано, що перемикання струму, що протікає через діоди відбувається миттєво, але в схемі, що використовує реальні діоди, це не так, оскільки у відкритому стані у них кінцеве пряме опір і кінцеве падіння прямої напруги, і це призводить до уповільнення процесу перемикання.

Рис. 6.6. Кращий метод отримання безперервного струму в навантаженні. Тут передбачається, що резистор в схемі на рис. 6.5 замінений діодом, ^ не розсіює енергію. Цей «фіксує» діод дозволяє передати енергію, запасені котушкою індуктивності, в навантаження, а протягом часу, коли проводить діод D \, він закритий.

Схема, показана на рис. 6.6, являє собою імпульсний стабілізатор як змінного, так і постійної напруги. Якщо діод D \ замінити керованим перемикаючим елементом, а на вхід подати постійне напруга, то отримаємо схему, зображену на рис. 6.2Е. При використанні цього методу для змінного струму діод D \ слід замінити тиристором, а управління величиною вихідної напруги можна отримати змінюючи фазовий кут його провідності способом, подібним показаний-

ному на рис. 6.2F. У кожному разі, вихідна напруга регулюється завдяки зміні часу провідності переключающего елемента. Тому, стає можливим стабілізувати вихідну напругу або струм за допомогою майже нерассеівающего енергію процесу комутації.

Джерело: І.М.Готтліб Джерела живлення. Інвертори, конвертори, лінійні і імпульсні стабілізатори. Москва: Постмаркет, 2002. – 544 с.