4.4. Стабилизация выходного напряжения
Схема стабилизации выходного напряжения представляет собой замкнутую петлю автоматического регулирования (рис. 83). Эта петля включает в себя:
схему управления 8;
согласующий предусилительный каскад 9;
управляющий трансформатор TV1;
силовой каскад 2;
силовой импульсный трансформатор TV2;
выпрямительный блок 3;
дроссель межканальной связи 4;
блок фильтров 5;
делитель напряжения обратной связи 6;
делитель опорного напряжения 7.
В составе схемы управления 8 имеются следующие функциональные узлы:
усилитель сигнала рассогласования 8.1 с цепью коррекции Zk;
ШИМ-компаратор (модулятор) 8.2;
генератор пилообразного напряжения (осциллятор) 8.3;
источник опорного стабилизированного напряжения Uref 8.4.
Рис. 83
В процессе работы усилитель сигнала рассогласования 8.1 сравнивает выходной сигнал делителя напряжения 6 с опорным напряжением делителя 7. Усиленный сигнал рассогласования поступает на широтно-импульсный модулятор 8.2, управляющий предоконечным каскадом усилителя мощности 9, который, в свою очередь, подает модулированный управляющий сигнал на силовой каскад преобразователя 2 через управляющий трансформатор TV1. Питание силового каскада производится по бестрансформаторной схеме. Переменное напряжение питающей сети выпрямляется сетевым выпрямителем 1 и подается на силовой каскад, где сглаживается конденсаторами емкостной стойки. Часть выходного напряжения стабилизатора сравнивается с постоянным опорным напряжением и затем осуществляется усиление полученной разности (сигнала рассогласования) с введением соответствующей компенсации. Широтно-импульсный модулятор 8.2 преобразует аналоговый сигнал управления в широтно-модулированный сигнал с переменным коэффициентом заполнения импульса. Схема модулятора осуществляет сравнение сигнала, поступающего с выхода усилителя сигнала рассогласования с напряжением пилообразной формы, которое получается от специального генератора 8.3.
Основными передаточными функциями ИП являются функция вход-выход, характеризующая способность схемы подавлять входные шумы и пульсации и не пропускать их на выход, и функция управление-выход, характеризующая степень изменения выходных напряжений при различных коэффициентах заполнения импульсов. В системе с замкнутой обратной связью коэффициент заполнения импульсов определяется усиленным и компенсированным сигналом рассогласования. Поясним это подробнее.
Допустим, некоторое возмущающее воздействие (например, увеличение токопотребления в нагрузке) первоначально вызвало отклонение выходного напряжения на некоторую величину в сторону уменьшения. Поэтому между опорным напряжением и сигналом обратной связи изменяется величина рассогласования.
Благодаря этому увеличивается ширина выходных импульсов модулирующей схемы 8-2. Поэтому выходное напряжение увеличивается, но не достигает прежнего значения, а устанавливается на уровне чуть меньшем, чем до воздействия возмущения, и сохраняется на этом новом уровне до тех пор, пока повышенное токопотребление в нагрузке не прекратится. Вновь установившийся уровень выходного напряжения обеспечивает ту величину сигнала рассогласования, которая, будучи усиленной усилителем ошибки 8.1, определяет новую ширину управляющего импульса, поддерживающую этот новый уровень выходного напряжения. Другими словами, система переходит в новое состояние динамического равновесия, но при большем, чем ранее, сигнале рассогласования и другой (большей) ширине управляющих импульсов.
Чем больше коэффициент усиления усилителя ошибки, тем меньше изменение выходного напряжения, которое обусловит необходимую для поддержания этого напряжения ширину управляющих импульсов. Коэффициент усиления усилителя 8.1 ограничивается условием устойчивой работы всей петли регулирования в целом. Значение коэффициента усиления по петле обратной связи равно произведению коэффициентов усиления типовых звеньев, входящих в контур обратной связи, а его фазовый сдвиг равен сумме фазовых сдвигов типовых звеньев. Поэтому коэффициент усиления по петле обратной связи и его фаза определяют стабильность работы системы и возможность возникновения в ней генерации.
Для того, чтобы система работала устойчиво, АЧХ и ФЧХ усилителя 8.1 схемотехнически подвергается коррекции с помощью корректирующей цепи Zk, которая включается как звено отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель ошибки 8.1. При этом конфигурация цепочки Zk обеспечивает необходимую зависимость глубины этой ООС от частоты усиливаемого сигнала. Проще говоря, Zk – это цепь, при помощи которой вводится отрицательная частотно-зависимая обратная связь.
У преобразователей на основе TL494 стабилизация выходных напряжений осуществляется методом широтно-импульсной модуляции. Суть его заключается в том, что сигнал обратной связи, пропорциональный уровню напряжения в канале +5 В, при гальванической подаче его на не инвертирующий вход усилителя ошибки DA3 (вывод 1 микросхемы TL494), определяет ширину выходного импульса микросхемы и изменяет ее в соответствии с отклонениями выходного напряжения канала +5 В от номинального значения.
Пусть под воздействием какого-либо дестабилизирующего фактора (например, скачкообразного изменения нагрузки) выходное напряжение в канале +5 В уменьшилось. Тогда уменьшится уровень сигнала обратной связи на неинвертирующем входе усилителя ошибки DA3. Следовательно, выходное напряжение усилителя уменьшится. Поэтому увеличится ширина выходных импульсов микросхемы на выводах 8 и 11. Значит, увеличится время открытого состояния за период силовых ключевых транзисторов инвертора. Следовательно, большую, чем ранее, часть периода через первичную обмотку силового импульсного трансформатора будет протекать нарастающий ток.
Следовательно, большую, чем ранее, часть периода в сердечнике трансформатора будет существовать нарастающий магнитный поток, а значит, дольше, чем ранее, на вторичных обмотках этого трансформатора будут действовать наведенные этим потоком ЭДС Другими словами, импульсы ЭДС на вторичной стороне силового трансформатора станут шире (при неизменном периоде следования). Поэтому увеличивается постоянная составляющая, выделяемая сглаживающим фильтром из импульсной последовательности после выпрямления, т.е. выходное напряжение канала +5В увеличится, возвращаясь к номинальному значению.
При увеличении выходного напряжения +5В процессы в схеме будут обратными. Стабилизация выходных напряжений остальных каналов может осуществляться по-разному в разных схемах. Традиционным схемотехническим решением является применение метода групповой стабилизации. Для этого в схему блока включается специальный элемент межканальной связи, в качестве которого обычно используется многообмоточный дроссель.
При этом изменение любого выходного напряжения приводит благодаря электромагнитной связи между обмотками дросселя групповой стабилизации к соответствующему изменению выходного напряжения +5В с последующим включением механизма ШИМ. Дроссель групповой стабилизации обычно представляет собой четыре обмотки (по одной обмотке в каждом выходном канале БП), намотанные на одном кольцевом ферритовом сердечнике и включенные синфазно. В этом случае дроссель выполняет в схеме две функции:
функцию сглаживания пульсации выпрямленного напряжения – при этом каждая обмотка для своего канала представляет сглаживающий дроссель фильтра и работает как обычный дроссель;
функцию межканальной связи при групповой стабилизации – при этом благодаря электромагнитной связи через общий сердечник дроссель работает как трансформатор, передающий изменения величины токов, протекающих через обмотки каналов +12 В, -12 В и -5 В в обмотку канала +5 В.
Для того чтобы обеспечить устойчивость петли регулирования выходных напряжений ИБП при минимальной длительности переходного процесса, амплитудно-частотная характеристика усилителя ошибки DA3 подвергается коррекции.
Это делается с помощью RC-цепочек, включаемых как цепи отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель DA3.
Для уменьшения уровня помехообразования, на вторичной стороне ИП устанавливаются апериодические RC-цепочки.
Преимущество апериодического переходного процесса перед колебательным заключается в снижении амплитуды первоначального выброса за счет заряда конденсатора RC-цепочки, а также в более быстром его затухании за счет резистора этой цепочки, который снижает добротность паразитного колебательного контура.
Эффективным методом обеспечения апериодического характера переходного процесса и является подключение RC-цепочки параллельно обмоткам трансформатора и диодам выпрямителя.