В стабилизаторах с ЧИМ длительность импульсов Uу не изменяется, а их частота уменьшается при повышении выходным напряжением заданного значения

В релейной системе стаби-лизации цепи управления отслежи-вают изменения напряжения на нагрузке и, когда его значение выходит за пределы допустимой зоны стабилизации, производится формирование импульсов, при воздействии которых и происходит «подкачка» энергии в цепь нагрузки.

Рис. 91

На рис.91 изменением управ-ляющего импульсного сигнала Uу(t) изображено регулирование уровня напряжения на нагрузке Uн. Уров-нями U_noр1 и U_пор2задан диапазон, в рамках которого должно находиться Uн. Генерация импульса начинается в момент понижения Uн ниже уров-ня U_no2, а прекращается при его возрастании более установленного U_nop1.Как видно из рис. 91, частота следования импульсов и их длительность варьируется в широких пределах и определяется свойствами нагрузки.

Диаграммы показывают качественную сторону регулирования и не отражают реальную картину процессов с учетом задержек срабатывания схем, погрешностей измерений.

Способ ШИМ стабилизации, несмотря на некоторое схемотехническое усложнения узла по сравнению с двумя другими методами, нашел наиболее широкое применение на практике. Поэтому этот метод стабилизации вторичного напряжения будет рассмотрен наиболее подробно. ШИМ регуляторы имеют следующие преимущества:

· обеспечение высокого КПД и поддержание основной частоты преобразования независимо от изменения напряжения первичного питания и величины нагрузки. При этом частота пульсаций на нагрузке имеет постоянное значение, что важно при проектировании и использовании фильтров с расчетными характеристиками и может быть критичным для нагрузок с различным характером входного сопротивления;

· возможность применения цепей синхронизации частоты с внешним задающим генератором, обладающим заданными параметрами.

Все магнитопроводы, которые используются в силовых частях преобразователей и импульсных стабилизаторов напряжения, имеют определенные ограничения по частотным характеристикам, поэтому стабильность частоты ШИМ ИСН и ПН позволяет наиболее правильно выбирать материал сердечника для них и эффективно использовать их возможности.

Эквивалентная схема системы управления импульсного стабилизатора напряжения с ШИМ

Как следует из ранее (ИСН с идеальным ключом) приведенного уравнениядля напряжения U_Н =t_и f U_п, регулирование его может осущест-вляться изменением времени открытого (или закрытого) состояния регулирующего элемента при постоянной частоте коммутации f, что соответствует способу широтно-импульсной модуляции.

При способе ШИМ регулирование выходного напряжения U_вых = U_вхt_и/T осуществляется изменением длительности импульсов t_и или K_з = t_и/T, подводимых к первичной обмотке трансформатора инвертора или к выходному фильтру импульсного стабилизатора напряжения при постоянной частоте (f = const) их следования (при постоянной частоте коммутации силовых транзисторов). В свою очередь, различают импульсную модуляцию 1-го рода, когда параметры импульсной последовательности на входе непрерывной части изменяются в зависимости от управляющего сигнала в фиксированные и равноотстоящие друг от друга моменты, и модуляцию 2-го рода, когда параметры указанной импульсной последовательности определяются текущими (мгновенными) значениями управляющего сигнала [13].

В качестве устройств, непосредственно осуществляющих модуляцию параметров высокочастотной импульсной последовательности, наиболее широко используются полупроводниковые модуляторы, которые сравнивают аналоговый сигнал, пропорциональный ошибке регулирования, с внешним периодическим сигналом пилообразной формы, а длительность каждого из импульсов на входе непрерывной части определяется моментами совпадения обоих сигналов.

Модуляция импульсов первого рода

На рис. 92 показана эквивалентная схема силовой части ИСН и система автоматического регулирования.

Рис. 92

С целью упрощения физических процессов в ИСН, происходящих при его работе, на первом этапе предположим, что мгновенное (текущее) значение напряжения u_н на выходе (на нагрузке и, соответственно, e_y) стабилизатора не изменяется из-за действия возмущающих факторов, а его постоянная составляющая U_н изменяется по величине (увеличивается или уменьшается).

Этот случай соответствует импульсной модуляции 1-го рода, когда параметры импульсной последовательности на входе непрерывной части изменяются в зависимости от управляющего сигнала в фиксированные и равноотстоящие друг от друга моменты времени.

В цепь прямой передачи изображенной системы автоматического регулирования входят:

· Непрерывная часть (НЧ), содержащая сглаживающий фильтр L1C2 с нагрузкой R_н (рис. 92), характеризующейся коэффициентом передачи фильтра K_ф = R_н/(R_н + R_L), где R_L – активное сопротивление дросселя фильтра; постоянной времени фильтра T_Ф = .

· Цепь обратной связи, состоящая из:

а) делителя напряжения (ДН) с коэффициентом передачи K_ДН = R2/(R1 + R2), где R1 и R2 – сопротивления соответственно верхнего и нижнего плеча ДН сравнивающего устройства 1, куда подаются два сигнала: , несущего информацию о напряжении на нагрузке, и U_оп - напряжение опорного (эталонного) источника питания (ИОН).

б) усилителя сигнала рассогласования (УСР) (усилителя постоянного тока УПТ), на вход которого поступает сигнал ошибки , а с выхода снимается e_y = K_ye, где K_y - коэффициент усиления УПТ (УСР).

Цепь обратной связи характеризуется коэффициентом K_ос = К_ДН К_y.

· Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) - компаратор, который представлен на структурной схеме в виде сравнивающего устройства 2 (рис. 92, а на рис. 93, а обозначен DA1). Преобразование уровня напряжения во временной интервал происходит следующим образом. Задающий генератор вырабатывает последовательность импульсов с частотой f = const (т.е. T = const). По каждому импульсу ЗГ запускается генератор пилообразного напряжения (ГПН), на выходе которого формируется линейно-изменяющееся напряжение пилообразной формы например, с модуляцией заднего фронта - убывающей пилы U_пил (рис.93, б) или с модуляцией переднего фронта - нарастающей пилы U_пил (рис.93, в).

В момент, когда медленно изменяющееся входное напряжение e_y ( ан-налоговый сигнал пропорциональный напряжению на нагрузке) становится равным пилообразному U_пил, на входе компаратора DA1 создается перепад напряжения U_У, которое представляет собой прямоугольные импульсы, модулированные по длительности (по ширине) в соответствии с уровнем сигнала e_y, пропорционально выходному напряжению ИСН. Следовательно, происходит преобразование аналогового сигнала в ШИМ-сигналы(рис.93, б).

U_пил = (U_m/T)(T - t_и) = U_m(1 - K_з),

где U_m - амплитуда пилообразного напряжения; t_и - длительность прямоугольного импульса на выходе ШИМ (рис. 93, б).

а б в Рис. 93

Коэффициент усиления (передачи) широтно-импульс-ного модулятора определяет-ся выражением:K_ш= К_ос/U_m [6].

Относительная длитель-ность импульсов прямоуголь-ного напряжения может быть определена из условия равен-ства сигналов на входе ШИМ (сравнивающего устройства 2) e_y = U_пил:

U_m(1 - K_з)=К_y[K_ДН U_н (t) - U_оп],

откуда

Это выражение явля-ется основным уравнением широтно-импульсного модулятора, связывающим напряжение на нагрузке с или с дли-тельностью импульса, по-даваемого на регулирующее устройство:

,

и параметрами ИОН (); ДН (), УПТ (), ГПН () и периодом Т (частотой) рабо-ты задающего генератора.

Сформированные таким образом импульсы прямоу-гольной формы подаются на вход регулирующего устройства РУ (они, в случае необходимости, могут быть усилены - U_су предварительным импульсным усилителем мощности ИУМ), что обуславливает открытое состояние силового транзистора в этот момент (начало импульса). Затем напряжения в виде прямоугольной формы с амплитудой , где - напряжение насыщения транзистора РУ, поступает на вход НЧ (сглаживающего фильтра). Разность напряжений между этим и напряжением на нагрузке прикладывается к дросселю L и вызывает нарастание тока в нем на этом временном интервале. С помощью НЧ происходит демодуляция импульсов, т.е. выделение их из последовательности постоянной составляющей напряжения, которая и питает нагрузку постоянного тока на выходе ИСН. В конце импульса, когда напряжения вновь сравниваются транзисторы драйвера и регулятора запираются. Ток дросселя замыкается через сопротивление нагрузки, обратный диод и потенциал на диоде достигает прямого падения напряжения этого диода. При этом к L1 прикладывается напряжение конденсатора фильтра, которое приводит к спаду тока через дроссель. Напряжение на С2 при этом несколько снижается. Этот интервал называется интервалом паузы.

Если напряжение на нагрузке по каким-либо причинам изменилось, например, увеличилось (рис.93), то увеличатся , что вызовет уменьшение длительности t_и1 импульсов (или К_З) при неизменном периоде на входе РУ. Длительность импульса напряжения на входе НЧ также уменьшится, и среднее значение постоянной составляющей напряжения опять станет прежним.

Как видно из сказанного, ШИМ возможна, если к моменту переключения РУ (транзисторов) выполняется условие: абсолютное значение скорости нарастания пилообразного напряжения больше абсолютного значения скорости нарастания напряжения на нагрузке.

Пунктиром на рис. 92 показано нелинейное звено (НЗ), появление которого в контуре регулирования вызвано инерционными свойствами используемых полупроводниковых приборов силовой части ИСН.

Модуляция импульсов второго рода.

В общем случае напряжение на нагрузке может изменяться (из-за действия возмущающих факторов) по произвольному закону (рис.89). Поэтому на втором этапе рассмотрим модуляцию 2-го рода, когда параметры импульсной последовательности определяются текущими (мгновенными) значениями управляющего сигнала [6,7,9].

Как указывалось ранее, формирователь сигналов специальной (пилообразной) формы может генерировать три вида сигналов заданной (и постоянной) частоты: треугольной формы (рис. 94, а) прямой пилы (по-ложительное нарастание напряжения рис. 94, б) и обратной пилы (рис. 94, в)

а б в

Рис.94

Теперь на устройстве сравнения 2 (рис. 92, рис. 93) проводится сопоставление текущих значений усиленного сигнала рассогласования U_р = e_у и сигнала специальной формы U_ф = U_пил. Из рис. рис. 92, авидно, что при совпадении величин этих сигналов происходит срабатывание компаратора. Импульс положительного напряжения на его выходе появляется в момент превышения напряжением U_ф = U_пил текущего значения U_р = e_у. На диаграмме для напряжения управления U_у видно, что формирование импульсного напряжения на выходе компаратора происходит с некоторым запаздываем по времени и уровню, что отражает реальную картину процессов в ШИМ регуляторе. Фронт (начало) импульса появляется, когда результирующее напряжение сравнения U_cp совпадает с некоторым значением напряжения Δ. Спад (окончание) импульса формируется при значении U_cp, равном Δ. Этот эффект называют гистерезисом. Параметры гистерезиса зависят от скорости изменения напряжения U_cр, а инерционность срабатывания элементов определяется временем рассасывания неосновных носителей в полупроводниковых приборах. В случае генерации сигнала треугольной формы сформированная импульсная последовательность имеет некоторое отклонение от частоты исходного сигнала специальной формы. В данном случае происходит модуляция импульсной последовательности как по длительности импульса, так и по частоте его следования.

На рис.94, б представлены временные диаграммы работы ШИМ регулятора, формирующего управляющую последовательность с модуляцией положения фронта импульса. В данном случае производится генерация пилообразного сигнала с положительным нарастанием напряжения. Фронт импульса (с учетом гистерезиса) начинает формироваться при совпадении напряжений U_р = e_у и U_ф = U_пил на участке линейного нарастания последнего. Спад импульса жестко синхронизирован со спадом пилообразного напряжения. На нижней диаграмме рисунка показано, что спады импульсов следуют через одинаковые промежутки времени, равные периоду Т пилообразного сигнала.

Использование генератора, формирующего пилообразный сигнал с линейным спадом пилообразного напряжения, приведено на рис. рис.94, в. Видно, то фронт импульса появляется в момент скачкообразного изменения пилообразного сигнала. Спад импульса сформирован при равенстве напряжений U_р = e_у и U_ф = U_пил, когда U_ф, находится в интервале линейного спада. Таким образом, модуляция длительности импульса производится по его спаду. Фронты импульсов отстоят друг от друга на одинаковые промежутки времени, равные периоду Т колебаний обратного пилообразного сигнала.

В заключение отметим: чем выше частота преобразования, тем существеннее проявляется влияние нелинейного звена (НЗ), на смещение (запаздывание) импульсов, поступающих на вход непрерывной части (НЧ), особенно оно проявляется в тех случаях, когда регулирующее устройство выполнено на мощном биполярном транзисторе. В настоящее время, особенно при высокой частоте коммутации, рекомендуется в качестве РУ использовать МДП-транзисторы.

Характеристика релейного элемента ИСН

Рис. 95

У импульсных стабилизаторов напряжения с частотно-импульсным (с двухпозиционным) управлением в цепи отрицательной обратной связи (ООС) имеется релейный элемент (РЭ) с двумя порогами срабатывания, управляющий работой регулирующего устройства (РУ) ИСН [5]. Зависимость выходного напряжения релейного элемента от управляющего напряжения цепи ООС приведена на рис.95. Такую характеристику имеет, например, триггер Шмитта.

В процессе работы стабилизатора на входе РЭ происходит непрерывное сравнение выходного напряжения стабилизатора ИСН с заданным опорным пороговым напряжением. В зависимости от приложенного к входу сигнала ошибки РЭ может находиться в одном из двух возможных состояний: открытом и закрытом.

Увеличение будет происходить до тех пор, пока не будет достигнуто определенное значение напряжения срабатывания . В этот момент произойдет размыкание силовой цепи стабилизатора и выходное напряжение начнет уменьшаться.

Снижение будет происходить до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое напряжение отпускания. После этого РУ снова замкнет силовую часть ИСН, выходное напряжение начнет возрастать и описываемый выше процесс повторяется.

Интервал между напряжениями и характеризует зону нечуствитель-ности релейного элемента – гистерезис, т.е. разность между значениями напряжения сигнала на входе дифференциального усилителя, при котором происходит срабатывание и отпускание порогового устройства микросхемы.

???глава 3. схемотехника Импульсных стабилизаторов

напряжения на микросхемах

3.7. Микросхема КР142ЕП1 управления импульсным
стабилизатором напряжения

Интегральная микросхема КР142ЕП1А, КР142ЕП1Б (в дальнейшем интегральная схема – ИС) представляет собой узел управления импульсным стабилизатором напряжения с коммутируемым током до 0,2 А и частотой коммутации до 100 кГц. Микросхемы выполнены по планарно – эпитаксиальной технологии с изоляцией p-n переходом [5].

Прибор оформлен в пластмассовом корпусе 2103.16 (238.16–2), чертеж корпуса представлен на рис. 56, а. Масса прибора не более 1,5 г.

Принципиальная схема показана на рис. 56, б. В нем можно выделить три основные независимые части – источник образцового напряжения, выходной составной транзистор и пороговое устройство.

а б

Дата добавления: 2014-03-13; просмотров: 881; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!