Способы стабилизации напряжения и схемы управления

В зависимости от способа стабилизации выходного напряжения импульсные стабилизаторы могут быть отнесены к одной из трех импульсных систем регулирования [59, 71]: с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ); с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ); релейная система регулирования (РСР).

В ИСН с ШИМ (рис. 15.50, а) длительность импульсов напряжения иф на входе сглаживающего фильтра при постоянной частоте их следования обратно пропорциональна значению напряжения на нагрузке. В ИСН с ЧИМ (рис. 15.50, б) длительность импульсов напряжения является постоянной величиной, а интервалы между ними изменяются пропорционально (следовательно, частота обратно пропорциональна) выходному напряжению ИСН. В релейной системе регулирования (рис. 15.50, в) формирование импульсов происходит в моменты пересечения напряжением ии двух горизонтальных уровней: нижнего при формировании фронта и верхнего при формировании среза. Поскольку форма изменения 0Н в зависимости от напряжения питания и тока нагрузки может быть различной, то и частота в данной системе регулирования может изменяться в широких пределах.

Изменения напряжения на входе слаживающего фильтра стабилизатора

Рис. 15.50. Изменения напряжения на входе слаживающего фильтра стабилизатора: а — при широтно-импульсной модуляции; б — частотно-импульсной модуляции;

в — релейной системе регулирования

Импульсные стабилизаторы с ШИМ по сравнению со стабилизаторами двух других типов имеют следующие преимущества:

  • а) обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота преобразования независимо от напряжения первичного источника питания и тока нагрузки;
  • б) частота пульсации на нагрузке является неизменной, что имеет существенное значение для ряда потребителей электроэнергии;
  • в) реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИСН, что исключает опасность возникновения биений частот при питании нескольких ИСН от общего первичного источника постоянного тока. Кроме того, при работе ИСН на нерегулируемый преобразователь (например, усилитель мощности) возможна синхронизация частот обоих устройств.

Недостатком ИСН с ШИМ в отличие от стабилизаторов релейного типа является более сложная схема управления, содержащая обычно дополнительный задающий генератор. Импульсные стабилизаторы с ЧИМ, не имея существенных преимуществ перед другими типами ИСН, обладают следующими недостатками: сложность схемотехнического осуществления регулирования частоты в широких пределах, особенно при больших изменениях напряжения питания и тока нагрузки; отсутствие возможности реализации отмеченных выше преимуществ системы регулирования с ШИМ.

Последний недостаток относится также к релейным (или двухпозиционным) ИСН, которые характеризуются также сравнительно большой пульсацией напряжения на нагрузке (в стабилизаторах с ШИМ или ЧИМ пульсации выходного напряжения принципиально могут быть равны нулю, что невозможно в релейных стабилизаторах по принципу их работы).

Преимущество релейных стабилизаторов состоит в простой схеме управления. Структурное построение схем управления СУ для ИСН с тремя способами стабилизации напряжения приведено на рис. 15.51. В общем случае каждая схема содержит делитель напряжения ДН, источник опорного напряжения ИОН, сравнивающий элемент 1 и усилитель рассогласования У. В зависимости от способа стабилизации в состав СУ также входят формирователь синхронизирующего напряжения ФСН, сравнивающий элемент 2 и пороговое устройство ПУ для ИСН с ШИМ (рис. 15.51, а); частотный преобразователь ЧП для ИСН с ЧИМ (рис. 15.51,6); пороговое устройство для релейного ИСН (рис. 15.51, в).

а

НУ

иу 2^ еу

ПУ

зг

ФСН

е 1 а

У

ДН

ст

ин

и

и

оп

ион

СУ

а

б

в

Рис. 15.51. Структурные схемы цепей управления: а — с ШИМ; 5 — сЧИМ;

в — двухпозиционная (релейная)

Во всех трех СУ в первый элемент сравнения поступают постоянное опорное напряжение иоп и пересчитанное выходное напряжение стабилизатора ист. Разность этих напряжений в поступает на вход усилителя постоянного тока.

В схеме на рис. 15.51, а формирование модулированных по длительности импульсов ипу (/,<) происходит в пороговом устройстве ПУ, на вход которого поступает разность усиленного сигнала рассогласования еу и синхронизирующего напряжения Сзр Изменение длительности управляющего импульса осуществляется модуляцией его фронта или среза.

При модуляции фронта (рис. 15.52, а) линейно изменяющееся напряжение синхронизации ?/згна каждом периоде нарастает (скорость его изменения положительная). Поскольку пороговое устройство в общем случае может обладать гистерезисом (2хо) и инерционностью (за счет времени рассасывания неосновных носителей в полупроводниковых приборах), то его срабатывание происходит через II и т2 от момента пересечения управляющего напряжения с горизонтальными прямыми хо и —Хо- Длительности воздействия на базу регулирующего транзистора ИСН управляющего импульса и паузы соответственно равны уэГи уРТ.

При модуляции среза (рис. 15.52, б) напряжение иж на каждом периоде спадает (скорость его изменения отрицательная). При модуляции фронта и среза (рис. 15.42, в) напряжение синхронизации на каждом периоде и нарастает, и спадает. Этот вид модуляции по сравнению с односторонней модуляцией (рис. 15.52, а, б) позволяет реализовать более быстродействующие ИСН, так как в этом случае мгновенное значение управляющего напряжения влияет на формирование фронта и среза.

Коэффициент передачи схемы управления, устанавливающий связь между изменениями относительной длительности Ау импульсов на входе сглаживающего фильтра и напряжения Д?7Н на нагрузке

к

ШИМ

Ау = Му А?/„ 2итзг

(15.114)

где &д.н, ку — коэффициенты передачи делителя напряжения и усилителя рассогласования соответственно, 211 т зг — двойная амплитуда синхронизирующего напряжения.

Поскольку значение относительной длительности у = /И/Г импульсов на входе сглаживающего фильтра ИСН физически

не может быть больше единицы и меньше нуля, то зависимость между у и ин имеет вид, показанный на рис. 15.53.

Диаграммы изменений напряжений

Рис. 15.52. Диаграммы изменений напряжений: а — при модуляции фронта; б — среза; в — фронта и среза

В схеме управления релейного ИСН (см. рис. 15.51, в) усиленный сигнал рассогласования єу (рис. 15.54) поступает на вход порогового устройства, которое переключается так же, как в схеме с шим.

Характеристика Рис. 15.54. Формирование выходного напря-широтно-импульсного моду- жения порогового устройства в зависимости лятора от усиленного сигнала рассогласования

Рис. 15.53. Характеристика Рис. 15.54. Формирование выходного напря-широтно-импульсного моду- жения порогового устройства в зависимости лятора от усиленного сигнала рассогласования

В схемах на рис. 15.51, а—в первые три звена (ДН, ИОН и У вместе с элементом сравнения 1) схемы управления ИСН выполняют те же функции, что и аналогичные звенья в СУ непрерывных стабилизаторов. Поэтому схемотехнически они могут быть выполнены по рис. 15.18, 15.19.

Из существующих типов ФСН следует выделить схемы, показанные на рис. 15.55. Если имеется источник переменного напряжения прямоугольной формы (например, напряжение на дополнительной обмотке трансформатора преобразователя), то линейно изменяющееся напряжение спадающего вида может быть получено с помощью простой схемы (рис. 15.55, а), состоящей из конденсатора С, мостового выпрямителя Уй и резистивного делителя напряжения Я, Я2. Сравнительно большая постоянная времени (/?і + /?2)С-цепи позволяет получить на каждом полупериоде перезаряда конденсатора необходимую линейность изменения тока /с, а следовательно, и напряжения на резисторе Я2 (рис. 15.56, а). После мостового выпрямителя напряжение ?/зг имеет двойную частоту и постоянную составляющую ип0.

Недостатком схемы на рис. 15.55, а является пропорциональная зависимость формы 0ЗГ от напряжения питания, что может привести при быстрых изменениях ипі к нарушению режима стабилизации в ИСН. Устранить недостаток можно дополнительным включением транзистора УТ, стабилитронов УГ>2 и

с га /?,

Схемы формирователей синхронизирующего напряжения

Рис. 15.55. Схемы формирователей синхронизирующего напряжения

К/)3, конденсатора С2 и резисторов — /?6 (как показано на рис. 15.55, б).

В этой схеме формирование линейно изменяющегося напряжения нарастающего вида происходит следующим образом. В интервалах времени между импульсами и2 (рис. 15.56, б) конденсатор С2 периодически заряжается от Д0 до (До + 2 Д зг) через резистор К5 от источника напряжения, выполненного на стабилитроне УВ3 и резисторе Я6. В кратковременные моменты воздействия импульсов и2 на базу транзистора УТ он открывается, и конденсатор мгновенно разряжается до До через резистор Я4, стабилитрон К/)2 и переход коллектор—эмиттер насыщенного транзистора. Применение стабилитрона ГД3 и режима быстрого перезаряда конденсатора дифференцирующей цепи позволяет исключить влияние Ді и Доп на параметры ДР

При наличии источника однополярных импульсов напряжение синхронизации может быть сформировано простейшей /?С-цепью (рис. 15.55, в). В этом случае напряжение Дг имеет треугольную форму (рис. 15.56, в), при которой происходит модуляция фронта и среза управляющих импульсов.

К недостаткам схем на рис. 15.55, а—в относится обязательное наличие источника двуполярных или однополярных импульсов ип. Этого недостатка лишены схемы на рис. 15.55, г, д, которые работают в автоколебательном режиме при питании их постоянным напряжением ии. В схеме на рис. 15.55, г для получения автоколебаний применяются операционный усилитель йЛ (например, 153УД1), резисторы Я—Я5 и конденсатор С. Осциллограммы напряжений для этой схемы приведены на рис. 15.56, г. В течение времени 0 — ^ напряжение ит на неинвертирующем входе усилителя больше напряжения на конденсаторе С, которое приложено к инвертирующему входу усилителя и является выходным напряжением изг генератора. В это же время происходит заряд конденсатора через резистор Я5, который вместе с /?4 через выходной транзистор усилителя подключен к минусовой шине ип. В момент времени когда изг начинает превышать ивх, выходное напряжение усилителя ?УВЫХ резко спадает до нижнего уровня. Происходит скачкообразное уменьшение напряжения ?/вх и начинается разряд конденсатора до ипо * ит0. Начиная с момента времени Т, когда происходит переключение операционного усилителя и его напряжение ивых возрастает до верхнего уровня, весь процесс повторяется.

В схеме ФСН на рис. 15.55, г синхронизацию можно осуществить подачей кратковременных импульсов положительной полярности исинхр и большей частоты на неинвертирующий вход операционного усилителя через резистор Я2. При этом увеличиваются постоянный уровень иио (пунктирные линии на рис. 15.56, г) и частота напряжений.

В схеме на рис. 15.55, д содержатся почти все звенья схемы управления. Здесь делитель напряжения выполнен на резисторах Я7 —Я$, источник опорного напряжения — на Я, УИ, а функции сравнивающих элементов, усилителя рассогласования и задающего генератора выполняет симметричный мультивибратор (элементы Я— Яь, Су, С2, У02, У02, УТ — УТ4). Транзисторы УТ2 и УТ2 работают в линейном режиме и выполняют функцию регулирующих сопротивлений, от которых зависит длительность управляющих импульсов иу и иу2. Значения коллекторных токов УТ2 и УТЪ определяются выходным напряжением ин стабилизатора.

Диаграммы изменений напряжений в схемах формирователей синхронизирующего напряжения

Рис. 15.56. Диаграммы изменений напряжений в схемах формирователей синхронизирующего напряжения

На рис. 15.56, д приведены временные диаграммы изменения напряжений на конденсаторах С и С2 (соответственно иС и 6с2) и переходах коллектор—эмиттер транзисторов УТ, УТ4. В течение времени t — ґ2 транзистор УТ открыт и конденсатор С2 через резистор /?6, диод УИ2 и переход эмиттер—база УТ заряжается почти до ип. Транзистор УТ4 остается закрытым напряжением исі до тех пор, пока С полностью не разрядится через Я4 и переходы коллектор—эмиттер транзисторов УТ и УТ2. В момент времени /2 напряжение 11С падает до нуля, транзистор УТ4 открывается, а УТ закрывается напряжением ис2 . Длительности импульсов иуі и С/У2 определяются постоянной

времени т2« ЯкэзС2 и Т[ ~ /? кэ2 Сь где /?кэ2И Якэз — сопротивления переходов коллектор—эмиттер транзисторов УТ2 и УТ3. Длительность нарастания фронта импульсов ?/у1 и иу2 зависит от т3 = Я2С и т4 = /?6С2. Цепочки Г/)2, и К/)3, /?5 необходимы для защиты переходов эмиттер—база транзисторов УТ и УТ4 от пробоя импульсом напряжения.

В схеме с мультивибратором трудно осуществить синхронизацию; кроме того, при быстрых изменениях ин формирование необходимой длительности управляющих импульсов происходит с запаздыванием тзап ~ т2/2 для иу и тзап « т/2 для 11у2. Последний недостаток существенно затрудняет применение данной схемы при высоких частотах коммутации (до 100—200 кГц) регулирующего транзистора ИСН.

Схемы пороговых устройств (ПУ) для управления ИСН приведены на рис. 15.57. В качестве ПУ могут быть применены усилитель постоянного тока на одном или двух транзисторах, операционный усилитель (ОУ), работающий в режиме компаратора, а также триггер. Для обеспечения высокой крутизны фронтов управляющих импульсов каждая схема содержит выходной транзистор (нарис. 15.57, б их два — УТ и УТ4).

При использовании ПУ, показанных на рис. 15.57, б, в, в ИСН с ШИМ на один из входов подается С7ЗП а на другой — усиленный сигнал рассогласования єу. Если ПУ применяется в релейных ИСН, то напряжение изг заменяется на постоянное (резисторы Я3, Я4 на рис. 15.57, в). В схемах ПУ на рис. 15.57, а, г с одним входом сложение напряжений 8у и ?/зг осуществляется на резисторах Я, Я2. При отсутствии ?/зг свободный вывод резистора Я2 соединяется с минусовой ШИНОЙ

Входная характеристика триггера Шмитта

Рис. 15.58. Входная характеристика триггера Шмитта

Переключение транзистора УТ в схеме ПУ на рис. 15.57, а происходит в моменты равенства (еу + из т) « (?/ст + иэъ) Применение в качестве ПУ дифференциального усилителя позволяет получить два выходных сигнала ищ и ипу2, находящихся в противофазе по отношению друг к другу.

Формирование фронтов выходного напряжения ПУ в схемах на рис. 15.57, б, в происходит при 8у « изп а в схеме на рис.

15.57, г определяется входной характеристикой триггера (рис. 15.58), в котором при єу = 0 транзистор УТ закрыт, а УТ2 открыт.

Схемы пороговых устройств

Рис. 15.57. Схемы пороговых устройств

При возрастании входного напряжения до напряжения срабатывания ?/сраб триггера транзистор ^открывается, а УТ2 закрывается. Обратное срабатывание триггера происходит при уменьшении входного напряжения до напряжения отпускания 1/0тп.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >