Zasada pracy wszystkich omawianych dotąd stabilizatorów napięcia stałego jest taka sama: szeregowo ze źródłem niestabilizowanego napięcia stałego jest włączony liniowy element regulacyjny (tranzystor szeregowy) sterowany poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego tak, aby napięcie wyjściowe (lub prąd wyjściowy) miało stałą wartość. Wartość napięcia wyjściowego
stabilizatora jest zawsze mniejsza od wartości napięcia niestabilizowanego doprowadzanego do jego wejścia, a na elemencie regulacyjnym zawsze wydziela się pewna moc (dokładniej, moc ta jest równa średniej wartości I_wy(U_we - U_wy)). Drugorzędną odmianą stabilizatorów napięcia stałego są stabilizatory równolegle (ang. Shunt regulators), w których element regulacyjny jest włączony między wyjście a masę, a nie szeregowo z obciążeniem. Układ stabilizatora równoległego jest podobny do

układu stabilizatora z diodą Zenera.

Istnieje zupełnie inny sposób wytwarzania stabilizowanego napięcia stałego niż dotąd rozważane. W przedstawionym stabilizatorze impulsowym (ang. switching regulator lub switcher) tranzystor pracujący jako klucz nasycony powoduje cykliczne dołączanie na krótko cewki indukcyjnej do źródła niestabilizowanego napięcia wejściowego. W czasie trwania każdego impulsu nasycającego tranzystor prąd płynący przez cewkę narasta liniowo. W polu magnetycznym cewki gromadzi się energia o wartości 1/2LI², która w następnej fazie cyklu jest przekazywana do kondens
atora filtrującego, dołączonego do wyjścia stabilizatora. Kondensator wygładza tętnienia napięcia wyjściowego (dostarcza prąd do obciążenia w fazie uzupełniania energii cewki indukcyjnej).

Podobnie jak w przypadku stabilizatorów o regulacji ciągłej, następuje porównanie wartości napięcia wyjściowego z wartością napięcia odniesienia, lecz otrzymane w ten sposób napięcie błędu stanowi sygnał wejściowy pętli sprzężenia zwrotnego, która koryguje wartość napięcia wyjściowego poprzez zmianę częstotliwości przełączania klucza lub zmianę czasu trwania impulsu włączającego klucz, a nie przez liniowe sterowanie przewodnością tranzystora.

Stabilizatory impulsowe mają niezwykłe właściwości, decydujące o ich dużej popularności. Ponieważ element regulacyjny pracuje dwustanowo — jest albo wyłączony albo nasycony — traci się w nim bardzo mało mocy. Dlatego stabilizatory impulsowe charakteryzują się dużą sprawnością nawet wtedy, gdy różnica napięć między wejściem a wyjściem ma dużą wartość.

Wartość napięcia wyjściowego stabilizatorów tego typu może być większa niż wartość napięcia

Wejściowego. Za pomocą stabilizatora impulsowego można również bez trudu przetwarzać napięcie o jednej polaryzacji na napięcie o przeciwnej polaryzacji. Ponadto, zasilacze impulsowe mogą być tak projektowane, aby nie istniała droga dla prądu stałego między wejściem a wyjściem.

Oznacza to możliwość zasilania takiego stabilizatora bezpośrednio z wyjścia układu prostującego napięcie sieciowe, bez potrzeby stosowania transformatora sieciowego!. W efekcie otrzymuje się zasilacz napięcia stałego bardzo mały, lekki i o dużej sprawności. Te cechy decydują o powszechnym stosowaniu zasilaczy impulsowych w sprzęcie komputerowym.

Zasilacze impulsowe sprawiają również kłopoty. Na wyjściu zasilacza tego typu występują zakłócenia impulsowe. Zakłócenia impulsowe są również wprowadzane z zasilacza poprzez przewody zasilające do sieci oświetleniowej.

Stabilizator zmniejszający wartość napięcia (wartość napięcia wyjściowego jest mniejsza od

wartości napięcia wejściowego).

Na rysunku przedstawiono schemat części przełącznikowej podstawowego układu stabilizatora zmniejszającego wartość napięcia (ang. step-down lub bucking regulator).
Aby nie komplikować rysunku, pominięto obwód sprzężenia zwrotnego. Gdy tranzystor MOS jest włączony, na cewce pojawia się napięcie o stałej wartości: (U_we-U_wy), co jest przyczyną liniowego narastania prądu w cewce (przypomnijmy, że dI/dt = U/L). Prąd ten wpływa oczywiście do kondensatora i do obciążenia. Po wyłączeniu tranzystora prąd nadal płynie przez cewkę w tym samym kierunku (cewka opiera się wszel-

kim gwałtownym zmianom prądu, co wynika chociażby z przypomnianego równania). Obwód prądu zamyka się przez diodę, która wchodzi w stan przewodzenia. Kondensator umieszczony na wyjściu układu pełni funkcję „koła zamachowego" akumulującego energię. Wygładza on piłozębne tętnienia napięcia wyjściowego (im większa jest wartość pojemności kondensatora tym mniejsza jest amplituda napięcia tętnień). W tej fazie wartość napięcia na cewce jest prawie stała i równa (U_wy—0,6) [V], co powoduje liniowe zmniejszenie są prądu w cewce.

Na rysunku przedstawiono przebiegi napięć i prądów występujących w analizowanym układzie. Oczywiście kompletny układ stabilizatora musi zawierać obwód sprzężenia zwrotnego, który będzie zmieniać albo szerokość impulsów doprowadzanych do bramki tranzystora MOS (przy stałej częstości ich powtarzania), albo częstotliwości impulsów (przy stałej ich szerokości).
Sygnałem powodującym

zmianę parametrów ciągu impulsów jest sygnał wyjściowy wzmacniacza błędu, porównującego wartość napięcia wyjściowego stabilizatora z wartością napięcia odniesienia.

Na rysunku przedstawiono schemat stabilizatora impulsowego o wartości napięcia wyjściowego równej + 5 V i niewielkiej wartości prądu wyjściowego, wykonanego z użyciem układu scalonego MAX638 firmy Maxim. Układ ten umożliwia wykonanie stabilizatora o ustalonej wartości napięcia wyjściowego równej +5 V (bez zewnętrznego dzielnika rezystorowego) albo stabilizatora o dobieranej lub regulowanej wartości napięcia wyjściowego — wtedy jest potrzebny zewnętrzny dzielnik napięcia. W wygodnej obudowie mini-DIP znajdują się wszystkie niezbędne podzespoły stabilizatora napięcia. Częstotliwość fali impulsów wytwarzanych przez wewnętrzny generator układu MAX638 jest równa 65 kHz. Sygnał wyjściowy wzmacniacza błędu służy do łączenia lub rozłączania wyjścia generatora z bramką tranzystora polowego, stosownie do wartości napięcia wyjściowego. Sprawność przedstawionego układu jest równa około 85% i prawie nie zależy od wartości napięcia wejściowego.

Poza dużą sprawnością, omawiany stabilizator zmniejszający wartość napięcia nie ma istotnych zalet (a nawet ma kilka poważnych wad — dużą liczbę elementów, zakłócenia impulsowe) w porównaniu ze stabilizatorem o działaniu ciągłym. Sprawa wygląda inaczej, gdy jest potrzebne napięcie stabilizowane o wartości większej niż wartość wejściowego napięcia niestabilizowanego lub napięcie o polaryzacji przeciwnej niż polaryzacja napięcia wejściowego. Wtedy stabilizatory impulsowe stają się bardzo atrakcyjne.

Stabilizator zwiększający wartość napięcia (ang. step up lub boosting regulator)

Zasada działania stabilizatora impulsowego zwiększającego wartość napięcia została częściowo omówiona podczas porównania go ze stabilizatorem o działaniu ciągłym.

Gdy klucz tranzystorowy jest włączony (potencjał punktu X jest bliski potencjałowi masy), wartość prądu płynącego przez cewkę rośnie liniowo. Po wyłączeniu klucza wartość napięcia w punkcie X gwałtownie rośnie, gdyż musi być spełniony warunek ciągłości prądu płynącego przez cewkę. Dioda zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia i płynie przez nią prąd ładujący kondensator. Wartość napięcia wyjściowego może być wielokrotnie większa od wartości napięcia wejściowego.

Stabilizator odwracający napięcie (ang. Inverting lub flyback regulator)

Zasadę pracy stabilizatora odwracającego napięcie można wyjaśnić posługując się schematem przedstawionym na rysunku.
Gdy klucz tranzystorowy jest w stanie przewodzenia, narastający liniowo prąd cewki płynie od punktu X do masy układu. Po wyłączeniu klucza, z warunku ciągłości prądu płynącego przez cewkę wynika, że potencjał punktu X musi być ujemny, a jego wartość na tyle duża, aby prąd mógł płynąć. Zwróćmy uwagę, że tym razem cewka wyciąga prąd z kondensatora, w wyniku czego napięcie na kondensatorze jest ujemne. Wartość bezwzględna napięcia wyjściowego omawianego układu może być zarówno większa jak i mniejsza od wartości napięcia wejściowego (zależy to od ustalenia parametrów pętli sprzężenia zwrotnego). Inaczej mówiąc, stabilizator odwracający napięcie może być układem zwiększającym lub zmniejszającym wartość (bezwzględną) napięcia.

---