Помните, что разрывая цепь защитного заземления, вы должны соблюдать предельную осторожность в обращении с испытательным оборудованием.

Последовательность испытания

1. Начнём с того, что выберем для элементов цепи коррекции следующие номиналы: 1 кОм и 2 мкФ. Это нагрузит усилитель ошибки по высоким частотам и создаст доминирующий полюс ПФ благодаря ёмкости и нагрузке цепи ШИМ. В передаточной характеристике будет присутствовать также и нуль, вызванный наличием сопротивления, но его влияние будет очень незначительным.

2. Проверьте, чтобы в заземлении не было замкнутых контуров, для этого подключите щуп канала 1 осциллографа к земле. Если при этом на экране осциллографа виден какой-либо сигнал, нужно изолировать осциллограф или генератор, разорвав цепь защитного заземления. В целях электробезопасности между испытательным оборудованием и линией питания необходимо включить разделительный трансформатор.

Помните, что разрывая цепь защитного заземления, вы должны соблюдать предельную осторожность в обращении с испытательным оборудованием.

3. Настройте генератор таким образом, чтобы получить на его выходе сигнал прямоугольной формы с амплитудой 5 В. Это даст в контуре управления перепад тока 100 мА. Если положительный и отрицательный перепады при малой нагрузке не одинаковы, уменьшите амплитуду сигнала на выходе генератора.

4. Добейтесь, чтобы отклик был сильно демпфированным. Если демпфирование недостаточное, увеличьте сопротивление резистора. В крайнем случае можно увеличить и ёмкость конденсатора, главное – начать с сильно демпфированного режима работы.

5. Пошагово уменьшайте ёмкость конденсатора в 2 раза на каждом шаге до тех пор, пока не появится едва заметный отклик. Этим вы смещаете частоту полюса режима работы.

6. Пошагово увеличивайте сопротивление резистора в 2 раза на каждом шаге (при этом задержка отклика уменьшается) до тех пор, пока отклик снова не станет сильно демпфированным. Увеличение сопротивления резистора смещает нуль ниже по частоте, тем самым выравнивая переходную характеристику к средним частотам.

7. Дискретно уменьшая одновременно и сопротивление резистора, и ёмкость конденсатора, добейтесь быстрого демпфированного отклика. Таким образом, вы сможете определить, каковы максимальное сопротивление и минимальная ёмкость, при которых не возникает колебаний и в то же время обеспечивается быстрая стабилизация выходного напряжения.

8. Теперь мы должны проверить, достаточен ли запас по коэффициенту усиления и фазе для всех условий работы. Одной из самых больших проблем является нуль, наличие которого в ПФ обусловлено влиянием выходного конденсатора и его ЭПС. ЭПС конденсатора сильно зависит от температуры. Если работа источника питания осуществляется в условиях очень низких температур, ЭПС возрастает на несколько порядков. Параметрическое испытание заключается в обеспечении такого режима, когда самовозбуждение не происходит при всех возможных комбинациях температуры, нагрузки и входного напряжения. Хорошим практическим методом является установка небольшого передемпфирования при экстремальной температуре, тем самым обеспечивается стабильная работа во всём температурном диапазоне.

Типовой ШИМ-контроллер с управлением по напряжению

Интегральная микросхема (ИС) семейства 1526А представляет собой типовой полнофункциональный ШИМ-контроллер второго поколения с управлением по напряжению. Он подходит для работы в качестве преобразователя DC/DCили в качестве сетевого контроллера на частотах до 100 кГц. Этот контроллер идеально подходит для двухтактных, полумостовых и мостовых схем, поскольку имеет два выхода. На Рис 2.10 изображена блок-схема контроллера.

Для корректной работы внутренней схемы требуется стабилизированное, регулируемое напряжение. Для стабилизации опорного напряжения используется прецизионный термокомпенсированный линейный стабилизатор. Он способен выдавать во внешние цепи ток 20 мА. Падение напряжения на стабилизаторе составляет 2 В, поэтому минимальное напряжение источника питания равняется 7 В. В контроллере 1526А точность задания опорного напряжения составляет до ±1%.

Схема блокировки при пониженном напряжении сравнивает опорное напряжение с внутренним эталонным уровнем. Она переводит вход сброса микросхемы в НИЗКИЙ уровень, блокирует её выходы и ограничивает через диод выходное напряжение усилителя ошибки, исключая, таким образом, возможность появления на выходе паразитных импульсов до тех пор, пока вся схема не получит достаточного для корректной работы напряжения. Блокировка отключается, когда опорное напряжение достигает величины 4.4 В. Компаратор блокировки имеет гистерезис 200 мВ. Если после срабатывания компаратора, отключающего схему блокировки, опорное напряжение вновь падает ниже 4.4 В, схема блокировки не активизируется до тех пор, пока величина опорного напряжения не снизится до 4.2 В. Этим предотвращаются шумы от ложных сбросов при медленном возрастании опорного напряжения.

Сразу после прекращения действия схемы блокировки входа сброса при пониженном напряжении осуществляется обычная последовательность «мягкого» запуска. Конденсатор мягкого запуска подключается к выходу усилителя ошибки через транзисторный фиксатор, который служит для того, чтобы ограничить уровень выходного напряжения усилителя ошибки и вследствие этого максимальную ширину импульсов. Таким образом, в процессе запуска системы ограничиваются ток в дросселе и скорость нарастания выходного напряжения. Ограничение осуществляется до тех пор, пока конденсатор не зарядится до 5 В. Конденсатор мягкого запуска заряжается постоянным током 100 мкА (типовое значение), поэтому можно вычислить длительность мягкого запуска, используя формулы, определяющие конденсатор и ток через него:

(2.1)

Если продифференцировать обе части уравнения для конденсатора, то получим

(2.2)

постоянен и равен 100 мкА, а равно 5 В (от сброса до полной зарядки), поэтому мы можем найти соотношение между ёмкостью и временем, выполнив перестановку в уравнении 2.2.

(2.3)

Полученное значение является приближенным, так как зарядный ток может варьироваться от 50 до 150 мкА. К тому же уже задолго до того, как конденсатор полностью зарядится, работа системы будет определяться не цепью «мягкого» запуска, а основным контуром управления.

Рисунок 2.10 - Блок-схема ШИМ-контроллера с управлением по напряжению 1526А

Необходимость мягкого запуска вызвана тем, что через дроссель преобразователя при приложении к нему полного напряжения входного источника питания протекает большой ток. Вполне вероятно, что этот ток в сочетании с зарядным током выходного конденсатора будет возрастать так быстро, что выходное напряжение превысит заданное значение на сотни милливольт или даже на несколько вольт. Схема мягкого запуска осуществляет защиту диодов и ключевых транзисторов от чрезмерных токов в процессе запуска и обеспечивает ослабление отклика на очень большой скачек входного напряжения.

Генератор ИС 1526А, кроме стандартных выводов для подключения времязадающих резистора и конденсатора (R_t, C_t), имеет ещё и вход управления длительностью межимпульсного интервала (паузы). Если вход R_паузыгенератора заземлён, длительность этой паузы определяется параметрами цепи разряда в генераторе. Если вход R_паузы соединить с землей через резистор, межимпульсный интервал увеличится. Согласно справочным данным на микросхему 1526А величина этого увеличения составляет 400 нс/Ом при рабочей частоте 40 кГц. Для других частот информация отсутствует, поэтому сопротивление резистора R_паузынеобходимо определить экспериментальным путем. Из справочных данных очевидно, что семейство 1526А было разработано в то время, когда типовым значением рабочей частоты было 20 кГц. Увеличение межимпульсного интервала необходимо в тех случаях, когда в качестве ключей двухтактных или мостовых схемах применяются относительно медленные биополярные транзисторы. Биополярные ключи накапливают на переход база-коллектор заряд, наличие которого не позволяет транзистору закрываться до тех пор, пока этот заряд не «рассосется». Увеличение межимпульсного интервала обеспечивает в двухтактной ключевой схеме полное закрывание одного транзистора до того, как начнет открываться другой.

Генератор имеет также вход синхронизации, который позволяет осуществлять её с внешним генератором или другим контроллером. Некоторые системы состоят из нескольких ШИМ-контроллеров. Наличие входа синхронизации позволяет всем контроллерам точно поддерживать частоту и фазу, и потому такие схемы можно подключать параллельно. Ведущий контроллер 1526А настраивается (с помощью R_t, R_паузы и C_t) на соответствующую частоту. На выходы C_t всех ведомых контроллеров (они должны быть соединены вместе) поступает один и тот же пилообразный внешний сигнал. Все входы синхронизации также должны быть объединены. Выходы R_t ведомых контроллеров остаются «висеть в воздухе».

Если понадобится, вход синхронизации можно использовать для синхронизации контроллера с внешним тактовым генератором. Для того чтобы синхронизироваться от внешнего логического сигнала, нужно установить[3] частоту внутреннего генератора контроллера примерно на 10% ниже желаемого значения. Логическая схема должна подавать на вход синхронизации короткие импульсы (порядка 500 нс). Эти импульсы прерывают фазу заряда в генераторе и перезапускают цикл.

Выводы синхронизации, сброса и выключения являются двунаправленными, активизируемыми НИЗКИМ уровнем, цифровыми входами/выходами. На Рис. 2.11 изображено, как схема двунаправленного входа/выхода с открытым коллектором и встроенным «подтягивающим» резистором используется для подключения к внутренним цепям контроллера. Вывод выключения может использоваться в случае неполадок, требующих немедленного выключения контроллера. Второй функцией вывода выключения является индикация активности компаратора ограничения тока. НИЗКИЙ уровень на входе выключения блокирует выходные ключи. Вход сброса служит для управления разрядом конденсатора мягкого запуска и ограничения выходного напряжения усилителя ошибки. Процесс мягкого запуска начинается, когда уровень напряжения на входе сброса меняется с НИЗКОГО на ВЫСОКИЙ. Каждый из этих входов совместим с логикой ТТЛ или КМОП.

Рисунок 2.11 - Принципиальная схема двунаправленных входов/выходов в 1526А

В контроллере 1526А реализовано цифровое ограничение тока. Компаратор измерителя тока выдает логический сигнал прерывания выходного импульса. Это позволяет контроллеру прерывать каждый выходной импульс, если достигается предельный уровень тока. Не следует путать этот процесс с управлением ШИМ по току, когда точка срабатывания компаратора зависит от величины сигнала ошибки. В данном же случае порог ограничения тока фиксирован. Инвертирующий вход усилителя измерителя тока имеет внутреннюю схему опорного напряжения 100 мВ, поэтому в случае реализации однополярного измерителя тока этот инвертирующий вход можно заземлить. Это позволяет использовать для измерения тока резистор с очень низким сопротивлением, что минимизирует потери. В других ИС контроллеров, например в SG2524, используется дифференциальный усилитель, который вычитает напряжение из выходного напряжения усилителя ошибки и уменьшает ширину выходного импульса. Блок-схема SG2524 изображена на Рис. 2.12.

Вследствие наличия внутренних шумов компаратора возможна генерация «ложных» импульсов. Чтобы исключить это, в генераторе ШИМ-импульсов контроллера 1526А предусмотрены специальные цифровые логические схемы. ШИМ-компаратор сравнивает пилообразное напряжение генератора с напряжением на выходе усилителя ошибки и в тот момент, когда эти напряжения одинаковы, выдает импульс, который переключает триггер в ВЫСОКИЙ уровень. Сигнал ВЫСОКОГО уровня с триггера-защелки ШИМ-контроллера поступает на выходную логическую схему управления. Выходной импульс прерывается, когда импульс от цепи разряда генератора сбрасывает защелку ШИМ в НИЗКИЙ уровень.

Рисунок 2.12 - Блок-схема контроллера SG2524

Выходная логическая схема управления осуществляет три функции. Первая функция заключается в управлении триггером, который управляет процессом попеременного подключения выходных импульсов к каждому из двух выходов. Это позволяет применять контроллер 1526А в симметричных схемах, таких, как двухтактные или мостовые. Вторая функция – блокировка выхода. Минимальная длительность интервала между импульсами на каждом из выходов определяется шириной импульса сброса генератора. Над сигналом блокировки выхода и сигналом с триггера-защелки выходного импульса ШИМ производится операция И, вследствие чего наличие сигнала блокировки выхода запрещает выдачу выходных импульсов. Третья функция логической схемы управления состоит в блокировке выходных ключей при неполадках, например перегреве, и в тех случаях, когда на входе сброса присутствует активный уровень напряжения.

Контроллер 1526А имеет два двухтактных выхода, которые могут подключаться к источнику питания, «развязанному» от источника питания цепи управления. Это позволяет подключать выходы к внешним ключам. Каждый выход работает на половинной частоте генератора. Импульсы с двух выходов не должны «перекрываться». Когда напряжение на выходе имеет НИЗКИЙ уровень, нижний (по отношению к «земле») транзистор двухтактного ключа открыт и находится в состоянии насыщения. В течение некоторого времени (время короткого замыкания) оба транзистора ключа открыты вследствие вызванной насыщением задержки запирания нижнего транзистора. Для ограничения тока короткого замыкания в ключе следует использовать резистор небольшого сопротивления, включенный последовательно с входом V_c. Контроллер 1526А является усовершенствованной версией микросхемы 1526, и время короткого замыкания в нем снижено до 50 нс. Но и в этом случае все же требуется использовать токоограничивающий резистор.

На Рис. 2.13 изображена типовая схема управления ключами на полевых транзисторах. Выходные транзисторы контроллера 1526А способны выдавать или потреблять ток 100 мА. Процессы заряда и разряда собственной емкости полевого транзистора могут вызывать протекание довольно существенных токов. Резистор, включенный между выходом контроллера 1526А и затвором полевого транзистора, защищает выходные транзисторы контроллера, ограничивая пиковый ток. Емкость сток-затвор обычно достаточно велика и может передать индуктивные выбросы напряжения из цепи стока в цепь затвора. Диод Шотки защищает выход контроллера от отрицательного напряжения, превышающего 0.3 В (по отношению к общему выводы микросхемы).

Рисунок 2.13 - Типовая схема управления ключом на полевом транзисторе

Управление по току

На Рис. 2.14 приведена базовая схема ШИМ-контроллера с управлением по току в повышающем преобразователе. Эта схема имеет два контура управления. Внешний контур предназначен для измерения выходного напряжения и подачи сигнала ошибки во внутренний контур. Внутренний контур сравнивает сигнал ошибки с сигналом зависящим от тока дросселя, и «решает», когда запирать ключ, что и определяет ширину импульса. Ширина импульса в большей степени зависит от тока дросселя, чем от сигнала ошибки.

Рисунок 2.14 - Базовая схема ШИМ-контроллера с управлением по току

Генератор начинает каждый цикл, устанавливая ВЫСОКИЙ уровень на выходе триггера-защелки ШИМ, открывая тем самым выходной ключ. Усилитель ошибки вырабатывает сигнал, который используется для сравнения с сигналом, зависящим от тока дросселя. Когда этот сигнал сравнивается с сигналом ошибки, компаратор сбрасывает в НИЗКИЙ уровень триггер-защелку выхода и ключ закрывается. Если выходное напряжение уменьшается, сигнал ошибки возрастает, что приводит к увеличению пикового тока в следующем импульсе.

Контроллер с управлением по току обладает рядом преимуществ перед контроллером с управлением по напряжению. Первое из них состоит в том, что ток дросселя напрямую зависит от напряжения ошибки, поэтому при анализе схемы методом малых сигналов дроссель можно заменить источником тока, управляемым напряжением. Этим «убирается» один порядок передаточной функции. Контур управления в данном случае скорректировать проще, чем для схемы с управлением по напряжению. Другим преимуществом является то, что изменение напряжения входного напряжения питания не влияют на процесс коррекции. Пиковый ток в дросселе зависит от напряжения на нем. Если входное напряжение падает, то это приводит лишь к увеличению времени нарастания тока дросселя до необходимого значения и к соответствующему увеличению времени запирания ключа компаратором.

Проектирование контроллеров с управлением по току не обходится и без определенных проблем. Когда коэффициент заполнения ШИМ превышает 50%, а через дроссель непрерывно протекает ток, в контроллерах возникают так называемые субгармонические колебания. Внутренний контур управления по току сохраняет устойчивость, пока коэффициент заполнения ниже 50%. Когда же коэффициент заполнения превышает 50%, выходной сигнал становится не стабильным под воздействием внутренних шумов и пульсаций. Средний ток дросселя будет по-прежнему управляем с помощью усилителя ошибки, но будут наблюдаться его колебания на субгармониках[4] частоты коммутации. Для рабочей частоты 40 кГц ток дросселя содержит субгармонические составляющие 20 кГц, 10 кГц и т.д., в результате чего в дросселе и других компонентах схемы могут возбуждаться звуковые колебания, слышимые человеческим ухом. Контроллер с управлением по току можно стабилизировать путем коррекции крутизны нарастания выходного сигнала. Такая коррекция обычно выполняется подачей напряжения с конденсатора генератора либо на усилитель измерителя тока, либо на усилитель ошибки и заключается в том, что управление точкой срабатывания компаратора осуществляется не постоянным напряжением, а пилообразным сигналом с частотой коммутации. Ток срабатывания снижается с увеличением коэффициента заполнения. При достижении в ходе коррекции определенной минимальной крутизны можно гарантировать, что полученная система безусловно устойчива. Процесс коррекции описывается следующим неравенством:

(2.4)

Где – крутизна нарастания напряжения коррекции, – крутизна нарастания сигнала заряда дросселя, – коэффициент заполнения.

К счастью, большинство современных микросхем с управлением по току снабжено внутренней схемой коррекции крутизны нарастания, которая может использоваться в готовом виде либо модифицироваться в случае необходимости этого. Для устаревших компонентов, таких, как 1846А, расчет величины коррекции крутизны нарастания можно произвести на основании документации производителя или справочных данных. Инструкция U-97 фирмы TI и инструкция 19 фирмы LinearTechnologyсодержат подробные описания такой коррекции.

Типовой ШИМ-контроллер с управлением по току

Микросхема 1846А – типичный представитель контроллеров третьего поколения. Функциональная схема контроллера 1846А приведена на Рис. 2.15. генератор и источник опорного напряжения в основном аналогичны применяемым в контроллере 1526А. Генератор в 1846А может синхронизироваться с другим контроллером 1526А. Схема блокировки при пониженном напряжении отличается тем, что отслеживает величину входного напряжения ниже 8 В. Блокировка осуществляется гистерезисом 0.75 В, чтобы шумы или медленное нарастание входного напряжения не привели к нестабильности в работе устройства.

Усилитель ошибки является усилителем тока с выходом типа «открытый коллектор», как и аналогичный усилитель в 1526А.

Усилитель измерителя тока представляет собой дифференциальный усилитель напряжения с коэффициентом усиления, равным трем. Диод и источник напряжения 0.5 В, включенные последовательно с инвертирующим входом ШИМ-компаратора, ограничивают напряжение на нем до величины около 3.5 В (сигнал ошибки с максимальной амплитудой 4.6 В минус 0.5 В и минус падение напряжения на диоде). Это означает, что если выходное напряжение усилителя измерителя тока[5] превышает 3.5 В, то компаратор не будет выключаться[6]. Таким образом, напряжение на выходе измерителя тока не должно превышать 1.1 В, что соответствует примерно втрое большему напряжению на выходе усилителя измерителя тока.

Диапазон синфазных сигналов для инвертирующего и неинвертирующего выходов этого усилителя составляет V_вх. – 3 В. Это позволяет использовать усилитель измерителя тока в повышающей, понижающей, прямоходовой и обратноходовой схемах. На Рис. 2.16 показаны три различных способа реализации схемы измерения тока. Резистор и конденсатор на Рис. 2.16(а) служат для демпфирования переходных процессов (выбросов) при включении транзисторного ключа. И в биополярных, и в полевых ключах существует паразитная связь между высоковольтной рабочей зоной ключа (соответственно коллектор или сток) и токоизмерительным резистором. Выброс, который проникает в токоизмерительную цепь, может вызывать ложное прерывание выходного импульса ШИМ-контроллера. Резистор и конденсатор[7] ограничивают скорость нарастания сигнала и компенсируют эффект выброса.

Рисунок 2.15 - Функциональная схема контроллера 1846А

В понижающих преобразователях требуется, чтобы входное напряжение хотя бы на 3 В превышало выходное напряжение, если используется токоизмерительный резистор. В схемах, не обеспечивающих достаточный диапазон синфазных сигналов или когда необходимо обеспечить полную гальваническую развязку (например, в мостовых схемах), управление усилителем ограничения тока может осуществляться через разделительный трансформатор тока. Такой трансформатор предпочтительно также использовать в сильноточных схемах, потому что он позволяет понизить напряжение на входе измерителя тока и, следовательно, потребляемую мощность. Диод в схеме на Рис. 2.16(в) используется для того чтобы отрицательный, относительно земли, потенциал на неинвертирующем входе усилителя не превышал величины падения напряжения на диоде.

Рисунок 2.16 - Три различных способа измерения тока: а) с заземленным резистором; б) с плавающим резистором; в) с разделительным трансформатором тока

Схема выключения, схема блокировки при пониженном напряжении и схема ограничения тока фиксируют «сверху» выходное напряжение усилителя ошибки. Вход ограничения тока используется для ограничения максимального тока дросселя, посредством фиксации выходного напряжения усилителя ошибки ниже максимума в 4.6 В. Выход усилителя ошибки ограничивается падением напряжения на переходе база-эмиттер токоограничительного транзистора. На Рис. 2.17 изображена типовая схема использования входа ограничения тока. От величины напряжения, задаваемого на этом входе, зависит, при каком значении выходного напряжения измерителя тока произойдет прерывание выходного импульса ШИМ-контроллера. Пока падение напряжения на диоде, включенном последовательно с инвертирующим сходом компаратора, примерно равно напряжению база-эмиттер токоограничивающего транзистора, напряжение, соответствующее точке срабатывания (переключения компаратора) равно напряжению ограничения тока (V_{огранич. тока}) минус смещение 0.5 В. Следующие формулы позволяют установить, на каком уровне будет производиться ограничение тока:

	(2.5)
	(2.6)
	(2.7)

Рисунок 2.17 - Использование входа ограничения тока в контроллере 1846

Резистор осуществляет дополнительную функцию, заключающуюся в обеспечении тока удержания для блокировки сигнала выключения контроллера (см. Рис. 2.15). Если требуется блокировать сигнал выключения, сопротивление должно быть меньше 2.5 кОм, что бы величина протекающего через него тока удержания сигнала блокировки составляла не менее 1.5 мА. Когда напряжение на входе выключения падения ниже 350 мВ, схема выключения снимает блокировку ШИМ и удерживает микросхему в состоянии сброса до тех пор, пока не начнется цикл выключения. Выбирая сопротивление более 5 кОм, можно позволить схеме выключения сбросить блокировку ШИМ и разрядить все конденсаторы, подключенные ко входу установки ограничения тока, но, когда сигнал выключения будет снят, начнется последовательность нового запуска.

В микросхеме 1846 отсутствует схема мягкого запуска. Для осуществления мягкого запуска следует между входом ограничения тока и землей включить конденсатор. Вход ограничения тока служит для установки точки срабатывания компаратора по пиковому току, поэтому медленное нарастание напряжения на входе измерителя тока обеспечивает мягкий запуск.

Обратите внимание (Рис. 2.15), что компаратор перед началом очередного цикла рабочей частоты генератора может не выполнить установку RS-триггера. Это произойдет в том случае, если ток дросселя слишком мал, и цепь формирования сигнала ошибки стремится его повысить, тем самым пытаясь сделать коэффициент заполнения больше 100%. Сигнал, поступающий в выходные логические цепи, представляет собой результат логической операции ИЛИ над импульсом с выхода генератора и выходным сигналом триггера. Короткий импульс с генератора задает короткий межимпульсный интервал на выходе ШИМ- контроллера, равный длительности разряда времязадерживающего конденсатора. Длительность межимпульсного интервала можно регулировать, меняя номиналы времязадающих резистора и конденсатора. В справочных данных на микросхему 1846 приводится монограмма для расчета межимпульсного интервала.

Выходные логические схемы и двухтактные выходы контроллера 1846А схожи с применяемыми в контроллере 1526А. Таким же образом необходимо ограничивать ток в коллекторной цепи выходных транзисторов и выходной ток управления полевыми ключами, используя последовательно подключаемые резисторы.

Схемы с накачкой заряда

Производители интегральных микросхем (ИС) продолжают улучшать выходные характеристики преобразователей с накачкой заряда. Частота коммутации и сопротивление замкнутого ключа – вот два основных параметра, которые определяют рассеиваемую мощность и косвенно влияют на КПД и максимальный выходной ток. Схемы с накачкой заряда имеют эквивалентное последовательное сопротивление, которое определяется следующей формулой:

(2.8)

Это эквивалентное сопротивление относится к характеристикам схемы с переключаемым («летающим») конденсатором и не является реальным физическим сопротивлением. Как видно из формулы 2.8, улучшить характеристики схемы (т.е. уменьшить ) можно, подняв частоту коммутации или увеличив емкость «летающего» конденсатора. Производительность будет расти только до тех пор, пока внутреннее физическое сопротивление не сравняется с эквивалентным сопротивлением схемы. Для получения большего выходного тока, как правило, используется параллельное соединение микросхем с накачкой заряда.

На Рис. 2.18 изображена функциональная схема ИС LTC3200, которая является типичным устройством с накачкой заряда с удвоением напряжения, обеспечивающим стабилизированное выходное напряжение. ИС содержит генератор фиксированной частоты 2МГц, который управляет схемой коммутации, вырабатывая двухфазную неперекрывающуюся последовательность тактовых импульсов. Усилитель ошибки сравнивает напряжение на входе обратной связи с внутренним опорным напряжением 1.268 В. Сигнал на выходе усилителя ошибки определяет ток, который заряжает «летающий» конденсатор в течение первой фазы тактовой последовательности. Во время второй фазы тактовых импульсов «летающий» конденсатор подключается последовательно с входным напряжением, и ток подается в нагрузку и в выходной конденсатор преобразователя.

Данный контроллер с накачкой заряда имеет мягкий запуск и схему управления коммутацией для ограничения тока, поступающего от первоисточника питания. Схема управления коммутацией отключает контроллер, если микросхема нагревается до 160⁰ C, и заново включает его при температуре порядка 150⁰ C. Эта схема также ограничивает выходной ток короткого замыкания на уровне 225 мА.

Рисунок 2.18 - Функциональная схема ИС LTC3200

ИС LTC3200 производит стабилизированное выходное напряжение в диапазоне от 1.268 до 5.5 В при токе до 100 мА. Диапазон входного напряжения составляет 2.7…4.5 В. В качестве первичного источника питания можно использовать один литиевый либо три щелочных, никель-кадмиевых или никель-металлгидридных элемента питания. Наличие схемы управления током позволяет микросхеме стабилизировать напряжение на уровне как выше, так и ниже входного напряжения. Однако при выходном напряжении ниже входного снижается производительность. Выходное напряжение устанавливается с помощью делителя, расположенного между выходом и входом обратной связи. Выходное напряжение определяется следующим выражением:

(2.9)

Сопротивления резисторов могут находиться в диапазоне от нескольких кОм до 1 Мом. Если выходное напряжение будет ниже входного, необходимо подключить к выходу нагрузку, потребляющую ток 1 мА, чтобы при очень малых нагрузках напряжение со временем не нарастало.

Входной, выходной и «летающий» конденсаторы должны иметь как можно более низкое ЭПС. Емкости этих конденсаторов должны составлять не менее 0.5 мкФ, но и не более 1 мкФ, чтобы обеспечить достаточный выходной ток при низких пульсациях. Электролитические и танталовые конденсаторы не обладают достаточно низким ЭПС для нормальной работы. Предпочтительнее применять керамические конденсаторы. Керамические конденсаторы имеют значительный температурный коэффициент емкости, в зависимости от типа диэлектрика. Наименьшимe уходом емкости при изменении температуры обладают конденсаторы типов X5Rи X7R. Ещё одним фактором является изменение емкости в зависимости от приложенного напряжения. Так, конденсаторы типов Z5Uи Y5Vхарактеризует существенный дрейф емкости при изменении приложенного напряжения. Чтобы усилитель сигнала ошибки сохранял устойчивость, ЭПС выходного конденсатора должно быть менее 0.3 Ом. Если ЭПС будет выше, то переходная характеристика усилителя перестает быть однополярной и система становится неустойчивой.

В ИС LTC3200 для регулирования тока заряда используется переменное сопротивление, поэтому микросхема рассеивает некоторую мощность на поддержание стабилизированного выходного напряжения. Микросхема LT1516 представляет собой образец устройства с накачкой заряда, работающего в пакетном режиме для поддержания стабилизированного выходного напряжения 5.0 В. Проблема высоких пульсаций в этой схеме (до 100 мВ при полной нагрузке) решается применением выходного фильтра второго порядка.

Функциональная схема LT1516 изображена на Рис. 2.19. Выходное напряжение через делитель поступает на компаратор 2 и сравнивается с внутренним опорным напряжением. Если снимаемое с делителя напряжение ниже порога срабатывания, то активизируются ключи накачки заряда, и заряд передается от входа к выходу до тех пор, пока выходное напряжение не возрастет до точки срабатывания компаратора 2. При таком «пакетном» режиме работы появляются низкочастотные пульсации выходного напряжения, амплитуда которых равна величине гистерезиса компаратора 2. Присутствуют также и возникающие в процессе заряда выходного конденсатора высокочастотные пульсации выходного напряжения с частотой коммутации схемы накачки заряда.

Рисунок 2.19 - Функциональная схема LT1516

В LT1516 используется два «летающих» конденсатора, чтобы выполнять как удвоение, так и утроение напряжения. Когда Ниже 2.55 В, сигнал с выхода компаратора 1 заставляет логическую схему управления перевести контроллер в режим утроения напряжения. Во время фазы заряда с помощью ключей оба «летающих» конденсатора коммутируются так, что оказываются подключенными между источником входного напряжения и землей. В фазе разряда «летающий» конденсатор С1 включается последовательно с конденсатором С2, и оба они коммутируются последовательно с источником входного напряжения. Как только Превышает 2.55 В, микросхема переключается в режим удвоения напряжения и в качестве «летающего» конденсатора используется только С2. Вход компаратора 3 имеет смещение 50 мВ от напряжения обратной связи на компараторе 2. Если входное напряжение падает на 50мВ или больше, компаратор 3 переводит микросхему снова в режим утроения до тех пор, пока это напряжение не возрастет до точки срабатывания компаратора 3.

Входной и выходной конденсаторы в схеме LT1516 могут быть танталовыми или электролитическими, потому что здесь мы имеем дело с компараторным управлением (двухпозиционным), а не с управлением с использования усилителя сигнала ошибки (пропорциональное уравнение), и поэтому нет контура обратной связи, который может возбудиться. ЭПС конденсаторов не влияет на устойчивость управления, его влияние сказывается только на напряжении пульсаций. Оптимальным является параллельное соединение керамического конденсатора с малым ЭПС (около 1 мкФ) и электролитического или танталового конденсатора большей емкости (около 10 мкФ). Керамический конденсатор снижает пульсации частоты 600 кГц от пачек зарядных импульсов, а электролитический снижает пульсации на частоте управления.

Лекция 3. Неуправляемые выпрямители. Схемы умножения напряжения.

Критериями качества работы выпрямителя являются:

коэффициент пульсации:

- отношение амплитуды к-ой гармоники к средневыпрямленному значению напряжения.

коэффициент выпрямления по напряжению:

- отношение средневыпрямленного значения напряжения к действующему значению напряжения во вторичной цепи трансформатора.

пульсность (число фаз выпрямления):

-отношение частоты пульсации к частоте питающего напряжения.

m – фазность схемы выпрямления – число вторичных обмоток (1, 2 или 3),

– число периодов выпрямления (1 или 2).

КПД:

- отношение активной (полезной) мощности в нагрузке к потребляемой (активной) мощности.

Критериями качества сглаживающего фильтра являются:

коэффициент сглаживания:

, где - коэффициенты пульсации на входе и выходе соответственно.

КПД:

.

К выпрямительному устройству предъявляются требования по качеству выходного напряжения, которое характеризуется: нестабильностью выходного напряжения - это отношение отклонения напряжения от номинального значения к номинальному значению.

В выпрямительном устройстве с трансформаторным входом существуют следующие способы регулирования выходного напряжения:

1. Регулирование в цепи переменного тока (непрерывного и импульсного действия).

2. В звене выпрямления за счет использования полупроводниковых управляемых элементов (тиристоров, симисторов, динисторов).

3. В цепи постоянного тока на выходе выпрямительного устройства за счет использования стабилизаторов напряжения (тока) непрерывного или импулсьсного действия.

Полупроводниковый диод, как элемент выпрямительного устройства

Рассмотрим вольт- амперную характеристику (ВАХ) полупроводникового диода и его схему замещения.

Рисунок 2.20 – ВАХ и схема полупроводникового диода

Основными параметрами полупроводникового диода являются:

- динамическое сопротивление диода ,

- обратное (статическое) сопротивление – ,

I_пр - предельно допустимый средний прямой ток при включении п/п диода в однополупериодную схему выпрямителя с активной нагрузкой, частотой питающего напряжения 50 Гц с естественным охлаждением элемента и нормальной температурой окружающей среды,

U_пр- среднее прямое напряжения (падение на диоде) в открытом состоянии диода,

U_пор- пороговое напряжение, т.е противоЭДС, которая характеризует начальное смещение ВАХ диода и препятствует нарастанию прямого тока,

U_обр – максимально допустимое обратное напряжение, которое может выдержать диод длительно в закрытом состоянии, не подвергаясь опасности пробоя.

Для увеличения среднего прямого тока (I_пр) используют параллельное включение диодов с выравнивающими элементами.

Рисунок 2.21 – Параллельное включение диодов

При параллельной работе диодов из-за несовпадения их ВАХ, токи в них распределяются неравномерно (в одном из них будет преобладать средневыпрямленный ток ). Это может привести к выходу из строя одного из диодов.

Для выравнивания токов используются дополнительные элементы: для средней мощности – резисторы, для большой мощности - уравнительный реактор.

Величина резисторов R_В должна быть больше дифференциального сопротивления любого из диодов, чтобы ток в ветви определял именно резистор, а не диод.

Уравнительные реакторы работают так. Под действием токов (), протекающих по обмоткам W₁, W₂, в них наводится ЭДС. За счет разностного тока образуется поток DФ, который вызывает появление ЭДС самоиндукции. Там, где произошло превышение тока, ЭДС самоиндукции уменьшает скорость его нарастания, а где уменьшение – ток увеличивается.

Для увеличения U_обр диоды включают последовательно с выравнивающими элементами.

Рисунок 2.22 – Последовательное включение диодов

Для выравнивания напряжений (U_обр), в маломощным выпрямителях, последовательно включенные диоды шунтируются резисторами, сопвротивления которых равны и в несколько раз меньше обратного сопротивления диода (ток резистивного делителя I_дел должен быть больше тока I_обр). Для выпрямителей большой мощности этот способ выравнивания обратных напряжений не пригоден из- за больших потерь в резисторах. Поэтому для мощных выпрямительных устройств применяют реактивные (конденсаторные) делители напряжения.

Тепловая модель полупроводника

Во время работы полупроводника в нём рассеивается мощность (Р) и происходит его нагрев, для охлаждения используют радиатор. Расчет площади радиатора ведется с помощью тепловой модели. Тепло, выделяемое в полупроводнике (П) передается на корпус (К) и далее в окружающую среду (С) через ряд конструктивных элементов.

Рисунок 2.23 – Путь выделяемого тепла

Величины тепловых сопротивлений (размерность градус/ватт) в соответствии с типом элемента и радиатора приводятся в справочной литературе. Тепло, распространяющееся от пластины П в окружающую среду, создает на элементах температурный перепад Dt

Температуру кремниевой пластины можно определить как сумму температуры окружающей среды и перепадов температуры на отдельных элементах:

Для обеспечения нормального функционирования диода необходимо выполнение условия t_п< t_доп.

Потери мощности на диоде суммируются из потерь от прямого тока (P_пр), потерь на преодоления противо-ЭДС (Pпор) и коммутационных потерь (P_ком):

,

В низкочастотных выпрямительных устройствах коммутационные потери составляют небольшую долю по отношению к остальным потерям, поэтому принимаем

Критерий качества выпрямительных устройств

Полупроводниковые диоды предназначены для подключения нагрузки к источнику с целью формирования однополярного напряжения в нагрузке при разнополярном напряжении источника.

Существуют понятия анодной и катодной группы диодов (при соединении элементов в узел катодами или анодами).

Рисунок 2.24 – Группы диодов.

Принцип коммутации:

К нагрузке должны быть скоммутированы одна или две разноименные группы. Свободные концы элементов, не соединенные в узел должны быть разведены по источникам. При наличии одной группы другой конец нагрузки должен быть подключен к нулевому выводу или земле. Однополупериодные схемы выпрямления имеют одну группу, двухполупериодные – две.

Рассмотрим принцип коммутации на примере однофазной двухполупериодной схемы выпрямления.

Рисунок 2.25 - Однофазная двухполупериодная схема выпрямления.

Для анализа выпрямительных устройств используют графоаналитический метод, который включает:

1) построение временных диаграмм для I и U при анализе электромагнитных процессов в цепях,

2) разложение в ряд Фурье и получение выражений для коэффициентов выпрямления К₀ и пульсаций К_п.

Напряжение на выходе выпрямителя содержит кроме постоянной составляющей U₀ целый ряд гармонических составляющих:

Рисунок 2.26 – Напряжение на выходе выпрямителя.

В соответствии с разложением периодической функции в ряд Фурье ее среднее значение определяется площадью, ограниченной рассматриваемой функцией за период повторения, отнесенной к величине периода. Так как площадь определяется вольт- секундным интегралом, то для напряжения, представленного на рисунке получим выражение для U_0.

Рисунок 2.27 – Периодическая функция

Под средневыпрямленным напряжением (U₀) понимается высота прямоугольника, эквивалентного по площади кривой, описывающей выпрямленное напряжение (U_d) за период повторения данной кривой, который равен 2p/р.

Коэффициент выпрямления по напряжению равен

.

Получим выражение для амплитуды к- ой гармоники U_mk. Очевидно, что U_d – четная функция, поэтому учитываем только косинусоидальные составляющие.

Коэффициент пульсаций определяется выражением:

где k – номер гармоники.

Для повышения качества выпрямленного напряжения необходимо увеличивать пульсность схемы выпрямления. Существуют следующие способы ее повышения:

- увеличение фазности питающих напряжений,

- увеличение числа коммутируемых элементов,

- расщепление фазных напряжений за счет использования способа соединения трансформатора «зигзагом».

Предельное значение K₀ имеет место при p®¥: К₀® , а U₀®U_2m.

Неуправляемые выпрямители

При рассмотрении схем выпрямления принимаем потери в диодах и трансформаторе равными нулю, а нагрузку - чисто активной.

Однополупериодная схема выпрямления

Рассмотрим простейшую схему выпрямления тока.

Рисунок 1 - Однополупериодная схема выпрямления (а) и кривые токов и напряжений (б)

В промежутке времени (0-01) к вентилю VD подводится положительное напряжение и через вентиль протекает ток прямого направления. Этот промежуток называется проводящим полупериодом, а ток - прямым током (рис.1).

В промежутке (01-02) разность потенциалов между анодом и катодом вентиля отрицательна, и через вентиль протекает незначительный ток . Промежуток (01-02) называется непроводящим полупериодом, а ток – обратным током.

Обозначим через сопротивление вентиля в проводящем полупериоде, а через – сопротивление вентиля в непроводящем полупериоде. В промежутке (0-01) напряжение вторичной обмотки трансформатора

,

где

- падение напряжения в вентиле;

- выпрямленное напряжение на зажимах приемника энергии.

В промежутке (01-02) напряжение вторичной обмотки трансформатора

,

где - обратное напряжение на вентиле.

Для большинства типов вентилей обратный ток и падение напряжения незначительны и ими пренебрегают, тогда в проводящем полупериоде

,

а в непроводящем полупериоде

.

В любой вентильной схеме выпрямленный ток имеет пульсирующий характер и наряду с постоянной составляющей содержит переменную составляющую . Переменная составляющая представляет сумму высших гармоник выпрямленного тока. Аналогично, выпрямленное напряжение содержит постоянную и переменную составляющие.

Для схемы рис.1 примем следующие обозначения:

– мгновенные значения напряжений и токов первичных и вторичных обмоток трансформатора.

Мгновенное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора

(1)

где и – действующие значения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора, и – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Кривые выпрямленного тока и напряжения представляют собой полусинусоиды (рис.2), поэтому схема называется однополупериодной.

Рисунок 2 - Кривые токов и напряжений в схеме рис.1

Мгновенное значение выпрямленного тока

(2)

В первом полупериоде

(3)

;

;

;

.

Замечание. При работе выпрямителя на нагрузку и в режиме непрерывного тока при работе на якорную цепь двигателя действительно предложенное выражение для средневыпрямленного напряжения: Средневыпрямленное напряжение преобразователя или постоянная составляющая выпрямленного напряжения – это отношение интеграла по кривой выпрямленного напряжения к периоду повторяемости.

(4)

откуда

(5)

Так как обычно напряжение сетевое задано, коэффициент трансформации

Постоянная составляющая выпрямленного, или анодного, тока

(6)

Амплитуда тока через вентиль

(7)

Амплитуда обратного напряжения

(8)

По полученным значениям

из каталога выбираем соответствующий вентиль с его эксплуатационными параметрами, заданными заводом-изготовителем (фирмой).

Сумма первичных и вторичных рабочих намагничивающих сил трансформатора в рассматриваемой схеме отличается от нуля, т.е. имеем магнитно-неуравновешенную систему. Постоянные намагничивающие силы создают постоянный магнитный поток, который может вызвать значительное насыщение магнитной системы, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и, соответственно, расчетной мощности. Во избежание этого нежелательного явления магнитную систему трансформатора рассчитывают с учетом постоянной составляющей потока.

Увеличенная расчетная мощность трансформатора и наличие значительных высших гармоник в выпрямленном токе ограничивают широкое распространение рассматриваемой вентильной схемы [1, 2, 3, 4].

Схема с нулевым выводом (двухфазная однотактная)

Схема выпрямителя представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку.

Рисунок 3 – Схема выпрямителя

На рисунке представлены графики токов и напряжений в различных точках схемы.

Рисунок 4 – Графики токов и напряжений

На интервале времени [0; p] потенциал точки а – положительный, а точки б – отрицательный, поэтому диод VD1 – открыт и через него протекает ток. Напряжение, снимаемое с верхней обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке. В момент p происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. отрицательный потенциал прикладывается к катоду VD2. Таким образом, через нагрузку ток протекает в одном и том же направлении в течение всего периода.

Достоинства этой схемы выпрямления: за счет малого числа коммутируемых элементов уменьшаются потери в выпрямительном звене, что позволяет использовать схему при высоком токе нагрузки. Существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе без изоляции.

Недостатки схемы: при запирании диода за счет наведения ЭДС с работающей полуобмотки в неработающую происходит удвоение напряжения, прикладываемого к диоду в закрытом состоянии. Это не позволяет использовать схему при высоких уровнях выпрямленного напряжения. Кроме того, на каждом такте участвует в работе только одна из полуобмоток, что ухудшает использование трансформатора. С точки зрения качественных показателей (К₀, К_п) данная схема не отличается от однофазной мостовой схемы выпрямления.

Основные соотношения для схемы выпрямителя:

.

Под габаритной мощностью трансформатора понимаем полусумму мощностей всех обмоток трансформатора, поэтому с учетом 2-х полуобмоток трансформатора в уравнение для P_mр во втором слагаемом появляется множитель, равный 2. Ток I_а протекает в течение одного полупериода и имеет синусоидальную форму, поэтому дополнительно появляется множитель, равный (поскольку ). В однофазной мостовой схеме выпрямителя K_тр = 1, 23, что используется в уравнение для P_тр. Тогда, для схемы со средней точкой имеем