Pinge impulss-stabilisaator

Pinge impulss-stabilisaatorid omavad suurt kasutegurit võrreldes lineaarsete stabilisaatoritega, võimaldavad vähendada seadmete gabariite ja parandada seadmete termorežiimi. Impulss-stabilisaatorid on ka odavamad. Nende kasutusala on väga laialdane alates mobiilsetest seadmetest kuni arvutiteni ja lõpetades jõuelektroonikaga.

Tööpõhimõte
Impulss-stabilisaatoris toimib reguleerelement (VT1 joonisel 1) lülitirežiimis, muundades alaldist saabuva alalispinge Us ristkülikimpulsside jadaks. Seejuures avatud seisus on transistor küllastusrežiimis ning järelikult pingelang sellel väike (voldi murdosad kuni paar volti), suletud seisus aga läbib sulgerežiimis transistori väga nõrk vool (kõige enam mõned milliamprid), nii et mõlemal juhul on reguleerimistransistoril hajuv võimsus väike. 

Stabilisaatori vastusideahelas olev tüürlülitus muudab kas tekitatavate impulsside kestust, kusjuures nende sagedus on püsiv (toimub impulsilaiusmodulatsioon) või impulsside sagedust nende püsiva kestuse juures (impulss-sagedusmodulatsioon) nii, et väljundpinge hälve nimiväärtusest väheneb.

Impulss-laiusmodulatsiooniga stabilisaatoritel on väljundpinge stabiilsem ja püsiva muundussageduse tõttu hõlpsamini silutav. Sagedusmodulatsiooniga stabilisaatoreid tuntakse tüürelemendi tööpõhimõtte järgi ka kahepositsiooniliste e releestabilisaatoritena. Impulsisagedus võib olla kesksageduslike reguleertransistoride kasutamisel kümned kilohertsid, kõrgsagedustransistoride korral kuni 200 kHz.

Reguleerelemendile järgneb alaldi (joonisel 1 element VD1) koos LC-silufiltriga.

Võrdlus lineaarstabilisaatoritega
Võrreldes lineaarstabilisaatoritega (reguleerelemendi transistorid töötavad neis võimendus- ehk lineaarrežiimis – transistorile langev võimsus on võrdeline temale langeva pinge ja kollektorivoolu korrutisega) on impulss-stabilisaatoritel suurem kasutegur (70–90%), samuti palju väiksemad mõõtmed ja mass võimsusühiku kohta (1:4 20 kHz juures, 1:8 200 kHz juures), kaovõimsuse vähendamiseks kasutatakse impulss-stabilisaatorites nn. lülitirežiimi, kus transistor on enamiku tööajast suletud/avatud olukorras. Ka pole lülitirežiimis transistoridega lülitused kuigi kriitilised komponentide parameetrite hajuvuse ja muutuse suhtes.

Puudused 
Impulss-stabilisaatorite olulisemad puudused on väljundpinge halvem stabiilsus ja suurem lainjus, raadiohäirete genereerimine ning ebapüsivus koormuse järsul muutmisel.

Kasutusalad 
Impulss-stabilisaatorid on väikeste kadude tõttu kohased kantavais seadmetes, kuid ka võimsates madalapingelistes (Uv = 5...15 V) toitelülitustes, kui nõuded pinge püsivuse, silutuse ja häirekindluse suhtes pole eriti ranged. Seega sobivad nad hästi integraalsete digitaallülituste toitmiseks.

Rusikareegli järgi on mõtet kasutada impulss-stabilisaatorit, kui lineaarse stabilisaatori kaovõimsus ületab 0,5 W. Samuti kohtades kus vajatakse minimaalset energiatarvet ning olulised on komponentide kaal ja mõõtmed.

Impulsslaiusmodulatsiooniga stabilisaator 
Stabilisaator koosneb reguleerelemendist RE, filtrist F, võrdlusskeemist VS ja impulsslaiusmodulaatorist M (vt joonis 2).

Filtri ülesandeks on impulsside vahelduvkomponendi mahasurumine ja alaliskomponendi läbilaskmine. Alaliskomponenti U0 võib geomeetriliselt kujutada kui nivood, mille alune pindala on võrdne impulsside pindalaga, seega impulsspinge alaliskomponent sõltub RE avatud ja suletud oleku vahekorrast.

Stabilisaator töötab järgmiselt. Oletame, et väljundpinge erineb etteantust ja VS annab oma väljundpinges veapinge, mis võimendatuna tüürib impulsside laiust modulaatori väljundis. Kuna modulaatori väljundsignaal tüürib reguleerelementi, siis sõltub impulsi laiusest RE avatud/suletud oleku vahekord ja ka RE väljundpinge alaliskomponent U0. Kui väljundpinge oli madalam etteantust, siis suureneb reguleertransistori avatud oleku aeg suletud oleku suhtes (U0 kasvab). Kui kõrgem siis vastupidi (U0 väheneb).

Releestabilisaator 
Joonisel 3 on kujutatud releestabilisaatori põhimõttelist skeemi, sellel olev RE on reguleerelement ehk võti, VS – võrdluskeem, TS – tüürskeem.

Võrdlusskeemi väljundpinge nivoo tüürib näiteks Schmidti tüürskeem i, millel on kaks stabiilset asendit – väljundi kõrge või madal pingenivoo. Stabilisaatori sisselülitamisel lülitab VS veasignaal sellisesse asendisse, mis tagab võtme kontaktide sulgunud asendi. Pinge väljundis saab kasvada kuni nivooni Uvmax. Sellele nivoole vastab VS väljundpinge, mis lülitab tüürlülituse ümber. Sellele tüürlülituse asendile vastab võtmekontaktide katkestus, väljundpinge hakkab langema. Nivool Uvmin lülitub tüürskeem jällegi ümber, pinge väljundis hakkab kasvama jne.

Kuna toimuvad pidevad ümberlülitused sisaldab väljund pulsatsiooni. Pulsatsiooni vähendamiseks tuleb kasutada täiendavat madalpääsfiltrit. Ka stabilisaatoris endas on mõeldav pulsatsiooni vähendamine, kuna pulsatsiooni suurus sõltub ülemiste ja alumiste nivoode vahelisest kaugusest. Kuid nivoode lühendamisega kasvab võtme ümberlülitamissagedus. Transistori üleminekul avatud olekust suletusse ja vastupidi ilmneb transistori inertsiaalsus – protsess ei toimu hetkeliselt. Sageduse tõustes ilmneb inertsiaalsuse mõju üha rohkem, transistori võtmerežiimis tööaeg järjest väheneb ja aktiivrežiimi (impulsside frontide kestused) osakaal suureneb. Järelikult suurenevad ka transistoride kaod ja impulss-stabilisaatorite põhiline eelis lineaarsete ees – suurem kasutegur – kahaneb. Kuna RE töötab tugevavoolulises võtmerežiimis, on ta ühtlasi ka raadiohäirete allikas. Seepärast tuleb suurt tähelepanu pöörata montaažile, varjestusele ja kõrgsageduslikele lahtisidestusfiltritele nii stabilisaatori sisendis kui väljundis.

Impulsslaiusmodulatsiooni ja releestabilisaatori võrdlus, lisaomadused 
Releestabilisaatorit on võimalik lihtsamini realiseerida, kui kasutatakse valmis mikroskeemlahendusi. Releestabilisaator on suurema toimekiirusega, kuid omab ka väljundis pulsatsiooni ja on ebaühtlase töösagedusega.

Et parandada impulss-stabilisaatorite energeetilisi näitajaid, kasutatakse energia salvestamist induktiivsuste ja mahtuvuste abil. Seda tehakse sobitatult reguleerelemendiga. Tekivad võimalused väljundpinge polaarsuse muutmiseks või isegi sisendpingest kõrgema väljundpinge saamiseks.

Praktilises kasutuses on pingetõstmisvõimalust mõistlik kasutada väikeste pingetõstmiskordsuste juures. Kui tekib vajadus kõrgemate väljundpingete järele, tuleks eelistada trafoga pingemuundureid nende suurema kasuteguri tõttu.

Vaata ka
Impulsstoiteallikas
Toiteplokk
Toiteadapter

Viited

Välislingid
Jõuelektroonika

Elektrotehnika
Jõuelektroonika