4.10.2. Способы построения цепи обратной связи в схемах преобразователей напряжения

В обратноходовом преобразователе обязательно нужно предусматривать ограничение или стабилизацию выходного напряжения. Работа цепи стабилизации приводит к тому, что при возрастании выходного напряжения уменьшается длительность прямого хода, что влечет за собой уменьшение порций энергии, передаваемых через накопитель в единицу времени, и это приводит к восстановлению выходного напряжения. Стабилизация напряжения в импульсных обратноходовых преобразователях может осуществляться за счет отрицательной обратной связи (ООС) с дополнительной обмотки трансформатора или подачей сигнала ООС из выходной цепи [ ]. Второй вариант обеспечивает большую стабильность выходного напряжения и меньшее выходное сопротивление.

Обратноходовой преобразователь может содержать несколько вторичных обмоток накопителя. Достаточно стабилизировать напряжение одного из выходов, как другие также будут стабилизированы, правда, немного хуже по изменению нагрузки. Стабилизация по всем выходам происходит потому, что импульсы напряжения и прямого и обратного хода существуют пропорционально виткам на всех обмотках накопителя и изменение нагрузки по любому выходу влечет за собой изменение амплитуды импульсов напряжения обратного хода.

По способу регулирования ООП можно разделить на два больших класса: релейные или с так называемой дельта-сигмамодуляцией и с широтно-импульсной модуляцией.

Релейный способ регулирования характеризуется изменением отношения длительности импульсов к периоду в совокупности с изменением частоты их следования. Примером таких преобразователей могут служить блоки питания телевизионных приемников третьего – пятого поколений отечественного производства. Эти источники собраны либо на основе автогенераторов на биполярных транзисторах, либо на микросхеме КР1033ЕУ2 (КР1033ЕУ5) и мощном полевом транзисторе. При любом из способов построения релейного ООП узел управления определяет момент окончания этапа передачи энергии в нагрузку и включает коммутирующий транзистор. Длительность его включенного состояния зависит от выходного напряжения. Если оно меньше заданного, длительность импульса увеличивается, и наоборот.

Еще одна особенность релейного управления – повышение частоты преобразования с уменьшением тока нагрузки. Когда достигнута минимальная длительность импульса (частота максимальна), выходное напряжение может возрасти относительно номинального уровня. Чтобы избежать этого явления, узел управления должен обеспечить пропуск импульсов при уменьшении тока нагрузки ниже определенного значения.

У преобразователей с широтно-импульсной модуляцией частота следования импульсов накопления постоянна. Выходное напряжение стабилизируют изменением отношения длительности импульсов к периоду их следования, как и в случае релейного управления.

ООП с широтно-импульсной модуляцией подразделяют на две группы – с непрерывным и прерывистым магнитным потоком трансформатора.

Рис. 94

В [22] приводятся четыре варианта стабилизации выходного напряжения (рис. 94).

Первый, самый простой, соответствует рис. 94, а, который надо рассматривать как дополнение к рис. 109. Как уже указывалось выше, широтно-импульсный модулятор микросхемы обеспечивает стабилизацию напряжения на входе «Упр.» на уровне 5,7 В. Поскольку обмотки II и III связаны между собой, то при изменении напряжения сети напряжение на нагрузке также стабилизируется. Однако, при изменении тока нагрузки изменение падения напряжения на активном сопротивлении обмотки II трансформатора TV1 и на диоде VD1 никак не влияет на процесс стабилизации, и выходное сопротивление преобразователя для этого варианта получается наибольшим.

Кроме того, возникает проблема точной установки выходного напряжения. Выходное напряжение преобразователя в этом варианте стабилизируется приблизительно на уровне U_OUT = (5,7 + U_VD4) ´ N₂ /N₃ -U_VD1, где U_VD4 и U_VD1-падение напряжения на соответствующих диодах, N₂ и N₃ - числа витков обмоток II и III. В первом приближении число витков на вольт для транс-

форматоров мощностью 50...100 Вт составляет около 0,6...1, поэтому изменение числа витков обмотки II на один приводит к изменению выходного напряжения на 1...1,6 В.

Заметно повысить стабильность выходного напряжения можно, установив между выходом выпрямителя на диоде U_VD4 и входном «Упр.» микросхемы стабилитрон, соответственно увеличив число витков обмотки III (рис. 94,б). В таком варианте увеличивается коэффициент усиления в цепи обратной связи, что заметно повышает стабильность выходного напряжения при изменении напряжения сети и несколько снижает выходное сопротивление.

Значение выходного сопротивления можно получить, управляя током через вход «Упр.» микросхемы сигналом, пропорциональным отклонению выходного напряжения от заданного. Вариант схемы стабилизатора, реализующий указанный принцип, приведен на рис. 94, в. Обмотка III трансформатора TV1, диод VD4 и конденсатор С3 образуют выпрямитель с напряжением 10...15 В, это напряжение некритично. Оно должно быть больше напряжения на входе «Упр.» микросхемы (5,7 В) на 5...10 В, необходимых для питания фототранзистора U1.1 оптрона U1.

При превышении напряжения на выходе преобразователя суммы рабочего напряжения на стабилитроне VD5 и светодиоде U1.2 оптрона U1 (около 1,3В), включается светодиод и через фототранзистор U1.1 оптрона начинает течь ток. Напряжение на выходе преобразователя стабилизируется. Резисторы R2 и R3 обеспечивают необходимую крутизну передачи сигнала рассогласования на излучающий светодиод оптрона.

Недостатком варианта по схеме рис. 94, в является необходимость подбора стабилитрона для точной установки выходного напряжения.

Наименьшим выходным сопротивлением, наилучшей стабильностью и возможностью плавной регулировки выходного напряжения обладает вариант стабилизации по схеме рис. 94, г. Сигналом рассогласования является анодный ток упоминавшегося выше регулируемого аналога стабилитрона DA2. Пока напряжение на его входе «Упр.» не превышает 2,5 В, ток анода будет менее 1,5 мА, а при достижении 2,5 В резко увеличивается. Этот ток течет через светодиод U1.2 оптрона U1, в результате выходное напряжение преобразователя стабилизируется на уровне: U_вых=(R4/R5+1)^.U_обр, где U_обр=2,5...2,55В- образцовое напряжение микросхемы КР142ЕН19А.

Сопротивления резисторов R4 и R5 рассчитываются исходя из тока через делитель (около 1 мА). Любой из резисторов R4 и R5 может быть подстроечным, что обеспечивает возможность точной установки выходного напряжения.

Резистор R3 пропускает начальный ток аналога стабилитрона DA2, а R2 ограничивает ток через светодиод оптрона и, совместно с конденсатором С5 обеспечивает стабильность цепи автоматического регулирования.

Типовые параметры различных вариантов стабилизации приведены ниже, где приняты следующие обозначения: U_III - напряжение на выходе выпрямителя с обмоткой III, U_OUT -точность установки выходного напряжения, U_OUT(U_in) - нестабильность выходного напряжения при колебаниях напряжения сети, U_OUT(I_OUT) - нестабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки.

Вариант а: U_III = 5,7 В, ΔU_OUT = 10 %, ΔU_OUT (U_IN) = 5 В, U_OUT (I_OUT) = 1,5 А;

Вариант б: U_III = 28 В, ΔU_OUT = 5 %, ΔU_OUT (U_IN) = 2,5 В, U_OUT (I_OUT) = 1,5 А;

Вариант в: U_III = 12 В, ΔU_OUT = 5 %, ΔU_OUT (U_IN) = 1 В, U_OUT (I_OUT) = 0,5 А;

Вариант г: U_III = 12 В, ΔU_OUT = 1 %, ΔU_OUT (U_IN) = 0,2 В, U_OUT (I_OUT) = 0,2 А.

Для получения максимальной точности и наибольшей стабильности в этом случае целесообразнее выбирать последний вариант схемы стабилизации. Для него необходимое напряжение на выходе выпрямителя с обмоткой III составляет 12 В.