Импульсный стабилизатор напряжения

Инвертирующий стабилизатор

Это устройство применяется для обслуживания потребителей с постоянным напряжением. Его особенностью является то, что полярность конструкции противоположна направлению разности потенциалов на выходе устройства. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения может показывать значения и выше, и ниже того, что есть в сети питания. Это зависит от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция для сети питания и нагрузки не предусмотрена.

Как же работает такое устройство? Первоначально необходимо подключить управляющую разность потенциалов. Это открывает транзистор между затвором и истоком. Он откроется, и начнет поступать ток от плюса к минусу. При этом дроссель будет резервировать энергию благодаря магнитному полю. При отключении разности потенциалов управления от ключа транзистора он будет закрываться. При этом резервная энергия конденсатора и магнитного поля расходуется для нагрузки.

Аппараты для лечения импульсными токами

Для лечения диадинамическими токами имеются отечественные аппараты СНИМ-1, Модель-717, Тонус-1 и Тонус-2. Импульсы тока с частотой 50 и 100 гц в аппаратах получают путем одно- и двухполупериодного выпрямления сетевого переменного тока.

Рис. 3. Аппарат СНИМ-1 для лечения диадинамическими токами (импульсные токи с частотой 50 и 100 гц).

В схему аппаратов, кроме выпрямителей, входит генератор импульсов прямоугольной формы с мультивибратором (электронное устройство, с помощью к-рого получают И. т. с широким диапазоном частот и с формой, близкой к прямоугольной). Этот ток затем в аппарате используется для получения И. т. полусинусоидальной формы с постепенным спадом импульса. Аппарат СНИМ-1 (рис. 3) генерирует семь разновидностей токов: однотактный и двухтактный непрерывные и волновые токи, токи в ритме синкопа (чередование однотактного непрерывного с паузой), токи «короткий и длинный период» (чередование одно- и двухтактного непрерывных токов в различных временных соотношениях).

Все токи, кроме непрерывных, могут использоваться в двух формах посылок — «постоянной» и «переменной». При «постоянной» форме токи имеют постоянные заданные параметры. При «переменной» — некоторые параметры токов (длительность периода посылки, повышения и снижения амплитуды импульсов) можно в определенных пределах изменять. Это позволяет значительно расширить лечебное применение диадинамических токов, в частности использовать их для обезболивания у больных с непереносимостью непрерывных токов и для электро-стимуляции мышц при заболеваниях внутренних органов и поражениях периферических нервов. Мощность, потребляемая аппаратом из сети, 60 вт, вес 12 кг. Модель-717 — портативный аппарат, генерирующий те же разновидности токов, что и СНИМ-1, в «постоянной» форме посылок. Потребляемая аппаратом мощность 35 вт, вес 4 кг. Аппарат Тонус-1 используется в стационарных условиях и на дому; генерирует все разновидности токов, что и описанные выше аппараты, а также однотактный и двухтактный токи в новых разнообразных сочетаниях. Форма посылок — «постоянная». Потребляемая аппаратом мощность 25 вт, вес 7 кг. Зарубежные аппараты для лечения диадинамическими токами — Д падинам и к (ПНР), Бипульсатор (НРБ) и др.— генерируют диадинамический и гальванический токи, которые могут использоваться раздельно и в сочетании друг с другом. Форма посылок — «постоянная».

Рис. 4. Аппарат Амплипульс-4 для лечения синусоидальными модулированными токами (импульсные токи с частотой 5000 гц).

Для амплипульстерапии применяют отечественные аппараты Амплипульс-3Т и Амплипульс-4 (рис. 4). Схема аппаратов включает генератор несущих синусоидальных колебаний средней частоты (5000 гц), генератор модулирующих колебаний низкой частоты (10— 150 гц), генератор посылок и блок питания. Амплипульс-3Т генерирует синусоидальные модулированные колебания непрерывные («постоянная модуляция») и в чередовании с паузой («посылка — пауза») с импульсами других частот («перемежающиеся частоты») или с смодулированными колебаниями («посылка — несущая частота»). Длительность посылок может регулироваться от 1 до 5 сек. Токи используют в режиме переменного и постоянного тока. Глубину модуляции (степень ее выраженности) можно изменять. С увеличением глубины модуляции усиливается возбуждающее действие токов. Это учитывают при методике леч. использования аппарата. Потребляемая аппаратом мощность не более 170 вт, вес 17 кг. Амплипульс-4 — портативная модель аппарата (вес 7,5 кг); генерирует те же разновидности токов, что и Амплипульс-3, но с меньшими модификациями.

В отечественном аппарате для флюктуоризации АСБ-2 источником напряжения переменного тока звуковой частоты (от 100 до 2000 гц) является германиевый диод. Напряжение в аппарате подается в трех вариантах: в переменной, частично «выпрямленной» и постоянной полярности (соответственно ток № 1, 2, 3). Для применения в стоматологии к аппарату придается набор внутриротовых электродов. Вес аппарата 6,5 кг, потребляемая мощность 50 вт.

Все описанные аппараты, за исключением Тонус-1 и Амплипульс-4, нуждаются в заземлении при использовании.

Аппараты, генерирующие И. т. с прямоугольной, треугольной и экспоненциальной формой импульсов,— см. Электросон, Электродиагностика, Электростимуляция. Серийного выпуска отечественных аппаратов для лечения интерференционными токами нет, т. к. аппараты типа Амплипульс эффективнее. Аппараты для электронаркоза интерференционными токами — см. Электронаркоз.

Основные схемы силовой части

По схеме силовой части импульсные стабилизаторы делят обычно на три основных типа: понижающие, повышающие и инвертирующие. Такое разделение сложилось, в частности, в отечественной технической литературе.

Некоторые авторы, рассматривая схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения во всём их многообразии, показывают, что число элементарных базовых схем преобразователя можно свести к двум — понижающего типа и повышающего типа. Также отмечается, что другие схемы импульсного преобразователя напряжения (в том числе инвертирующего преобразователя) могут быть получены каскадным соединением этих двух базовых схем[неавторитетный источник?].

В нижеприведённых схемах в качестве ключа S могут использоваться полевой транзистор, биполярный транзистор или тиристор, цепь управления ключом для простоты не показана. Отношение времени замкнутого состояния ключа к сумме длительностей замкнутого и разомкнутого состояний называют коэффициентом заполнения (или рабочим циклом — англ. duty cycle).

Преобразователь с понижением напряжения

Преобразователь с понижением напряжения

Названия в англоязычной литературе — buck converter (step-down converter). Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диод D, при этом величина тока уменьшается. При достаточной индуктивности ток дросселя не успевает уменьшиться до нуля к началу следующего цикла (режим неразрывных токов) и имеет пульсирующий характер. Поэтому даже при отсутствии конденсатора C напряжение на нагрузке R будет иметь такой же характер с пульсациями, размах которых тем меньше, чем больше индуктивность дросселя. Однако, на практике увеличение индуктивности связано с увеличением габаритов, массы и стоимости дросселя и потерь мощности в нём, поэтому использование конденсатора для уменьшения пульсаций более эффективно. Сочетание элементов L и C в этой схеме часто называют фильтром.

Преобразователь с повышением напряжения

Преобразователь с повышением напряжения

Названия в англоязычной литературе — boost converter (step-up converter). Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диод D и конденсатор C (заряжая его). К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузке R напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора. В отличие от предыдущей схемы, здесь дроссель не является элементом фильтра. Напряжение на нагрузке всегда больше напряжения источника.

Инвертирующий преобразователь

Инвертирующий преобразователь

Название в англоязычной литературе — buck-boost converter (то есть «понижающе-повышающий преобразователь»). Основное отличие от предыдущей схемы состоит в том, что цепь D, R, C подключена параллельно дросселю, а не параллельно ключу. Принцип работы схемы похожий. Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через конденсатор C (заряжая его) и диод D. К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузке R напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора (дроссель не является элементом фильтра). Напряжение на нагрузке может быть как больше, так и меньше напряжения источника.

Влияние диода на КПД

Прямое падение напряжения для обычных кремниевых диодов составляет около 0,7 В, для диодов Шоттки — около 0,4 В. Мощность, рассеиваемая в диоде при больших токах, существенно снижает КПД, особенно в стабилизаторах с низким выходным напряжением. Поэтому в таких стабилизаторах диод часто заменяют дополнительным полупроводниковым ключом с низким падением напряжения в открытом состоянии, например, силовым полевым транзистором.

Во всех трёх описанных схемах диод D может быть заменён на дополнительный ключ, замыкаемый и размыкаемый в противофазе к основному ключу.

Ждущий мультивибратор (одновибратор)

За счёт диода VD отрицательное напряжение на конденсаторе С (Uc) может иметь только отрицательное значение порядка — 0,7 В. Схема имеет одно устойчивое состояние, когда Uвых=U-нас= -Еп (диод VD открыт). Из этого состояния схема не может самостоятельно переключить к уровню Uвых=U+нас=Еп. С приходом положительного запускающего импульса Uзап = Uм > Uср схема переключается к уровню Uвых =U+нас = Еп. После этого начинается заряд конденсатора С через резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе Uc достигнет значение Uотп происходит возвращение схемы к уровню Uвых =U-нас =-Еп. В этом состоянии схема пребывает до поступления следующего запускающего импульсе.