2.4. Системы управления исн на базе интегральных схем (ис)
2.4.1. Основные блоки ис для построения систем управления (су)
В настоящее время практически все СУ строятся с использованием интегральных микросхем импульсного управления, которые включают в себя набор основных функциональных блоков. Простейшие ИС имеют лишь 3 обязательных вывода, а в более сложных ИС их количество доходит до 24. Появление дополнительных выводов в более сложных СУ и их функциональное назначение в каждой ИС показывают, в каком направлении развивается данная СУ. Поэтому простейшая СУ является хорошей отправной точкой для сравнения всей совокупности схем данного типа.
К системе управления в целом предъявляется требование снижения рассеиваемой мощности в дежурном режиме, когда мощность, потребляемая на собственные нужды блоков, не связанных напрямую с их функциональным назначением. Снижение тока, потребляемого в этом режиме, находиться в сфере постоянного внимания разработчиков СУ и характеризует ее качество.
Ниже приводятся основные блоки систем управления ИСН:
Блок драйвера. Блок драйвера должен иметь по крайней мере один внешний вывод (в двухтактных схемах два), который относится к обязательным. Он может служить как предварительным импульсным усилителем, так и непосредственным ключевым элементом в составе импульсного ИВЭП.
В качестве управляемого прибора (регулирующего устройства) в силовых частях ИСН могут применяться биполярные транзисторы, мощные полевые МОП – транзисторы и приборы триггерного типа (тиристоры, симисторы). Драйвер биполярного транзистора должен управлять током базы при включении и обеспечивать рассасывание неосновных носителей в базе на этапе запирания.
Полевой МОП – транзистор управляется напряжением, однако в начале интервалов включения и запирания драйвер должен пропускать большие импульсные токи заряда и разряда емкостей прибора. Для увеличения быстродействия транзистора и создания высокочастотных ключей необходимо снизить сопротивление сброса заряда. Это осуществляется с помощью дополнительного транзистора сброса в схеме ключа, который включается только на интервале паузы (СУ с таким ключом называют с тотемным входом).
Приборы же триггерного типа требуют формирования короткого импульса тока только в начале интервала включения, поскольку запирание (коммутация) у наиболее распространенных однооперационных приборов происходит по основным электродам.
Импульсный модулятор. Одним из основных признаков импульсного модулятора является закон регулирования. Простейшие алгоритмы управления получаются при широтно-импульсной модуляции ШИМ и частотно-импульсной модуляцией ЧИМ. В первом случае неизменной остается частота переключения, а изменяется ширина импульса. Во втором - ширина импульса или ширина паузы остается неизменной, а изменяется частота переключения. Более сложный алгоритм управления получается при частотно-широтной модуляции ЧШИМ, когда изменяются все три параметра – частота, время импульса и время паузы.
Усилитель сигнала рассогласования (УСР). Его параметры и построение контура обратной связи определяют быстродействие всей системы. Практически без инерционен алгоритм, называемый двухпозиционным или релейным управлением, при котором переключение происходит при достижении контролируемой величиной заданных верхнего и нижнего уровня. На практике в СУ применяются УСР двух типов: УСР на основе компараторов и СР на основе операционных усилителей с очень большим (десятки тысяч) коэффициентом усиления.
В первом случае задержка сигнала обратной связи очень мала и алгоритм управления относится к однопозиционному управлению, так же отличающемуся высоким быстродействием. Во втором – алгоритм управления относится к компенсационному типу. Сигнал рассогласования при этом проходит через инерционную систему обратной связи и реакция на воздействие может запаздывать на несколько интервалов переключения.
Для обеспечения высокого быстродействия по крайней мере один сигнал обратной связи должен проходить по без инерционному контуру. Алгоритм, промежуточный между релейным и компенсационным представляет собой широтно-импульсный регулятор с управлением по току, обладающий при постоянной частоте большим быстродействием.
Источник опорного напряжения (ИОН). Встроенный ИОН с небольшим числом выводов не имеет внешнего доступа. Однако, поскольку он используется в качестве источника для зарядки времязадающего конденсатора, наличие внешнего вывода желательно, чтобы разработчик имел возможность регулировать частоту генератора не только с помощью величины емкости конденсатора но и изменяя величину резистора.
Большинство микросхем СУ кроме рассмотренных блоков, без которых функционирование просто невозможно, содержат еще ряд блоков, обеспечивающих надежную работу СУ. Конечно, такие блоки могут быть и внешними, но в современные СУ встраиваются, как правило, блоки защиты, а зачастую, и блоки мягкого запуска.
Блоки защиты (БЗ). Эти блоки выполняют функции защиты от аварийных режимов, таких как провалы и снижение входного напряжения, его недопустимое повышение, токовые перегрузки, повышение температуры полупроводникового кристалла. Результатом действия защитного устройства всегда является перевод ключевого транзистора, подключающего нагрузку, в режим отсечки. Однако алгоритм возраста к рабочему режиму может быть различным.
Возврат в рабочий режим путем отключения и повторного включения входного напряжения с помощью управляемого вручную коммутатора. Такой алгоритм предусматривает, что оператор до повторного включения анализирует и устраняет причину неисправности.
Автоматическое повторное подключение устройства через определенный промежуток времени, которое происходит установленное число раз, после чего применяется предыдущий алгоритм.
Изменение режима работы устройства, например, увеличение интервала паузы.
БЗ от провалов и снижения напряжения питания. Провалы сетевого напряжения появляются, например, при пуске мощных двигателей в относительно маломощных промышленных или бытовых сетях. Провалы могут появляться также в авиационных сетях и в системах с гарантированным питанием, использующих реле для подключения системы гарантированного питания. Сетевого напряжения буквально исчезает на несколько полупериодов, а затем мгновенно появляется вновь. Если эта пауза недопустимо затягивается ИВЭП нуждается в достаточно больших батареях конденсаторов входного фильтра, чтобы обеспечить работу при паузе входного напряжения и в отключающих устройствах. Если ИВЭП включить-ся слишком быстро после исчезновения напряжения, он должен будет работать при очень низких уровнях выходного напряжения. Работа при низком входном напряжении, если при этом требуется поддерживать стабильное выходное напряжение, приводит к увеличению среднего значе-ния входного тока и к соответствующему увеличению потерь и температуры в силовом транзисторе и трансформаторе (если он имеется в схеме).
БЗ от перенапряжений. Обычно такой блок содержит пороговое устройство, которым определяется аварийное превышение напряжения. Отключение в этом случае происходит в соответствии с первым алгоритмом. Зачастую применяется метод короткого замыкания нагрузки, защищающий ее от перенапряжения и включающий механизм защиты от короткого замыкания, который обычно имеется в СУ.
БЗ от короткого замыкания. Короткое замыкание нагрузки обычно требует вмешательства оператора и не может быть устранено мгновенно. Поэтому повторное включение производится по первому алгоритму. Короткое замыкание характеризуется большой крутизной нарастания тока и большим значением тепловых потерь в полупроводниковых приборах. Поскольку тепловые потери определяются интегралом от квадрата мгновенного значения тока, в наиболее совершенных СУ используется датчик этой величины, дающий сигнал на отклонение ИВЭП при превышении допустимого предела.
БЗ от токовых перегрузок. Защита этого типа определяет не слишком большой выход за рабочий диапазон токовых нагрузок. В этом случае режим близок к предельному рабочему режиму и не возникает необходимости в немедленном вмешательстве оператора. Защита при этом может осуществляться выключением силового транзистора по сигналу датчика тока на каждом интервале коммутации. В другом варианте воздействие оказывается на генератор, УСР или какой – либо другой блок в цепи обратной связи. В обоих вариантах осуществляется третий алгоритм возврата в рабочий режим.
БЗ электронного термовыключателя. Этот блок предохраняет от неисправности микросхему СУ. Перегрев может возникнуть по различным причинам: от повышения теплового сопротивления, повышения температуры среды, Увеличения потерь в элементах, например, токовой перегрузке драйвера, когда он используется в качестве силового ключа. Во всех случаях требуется возврат к рабочему состоянию по первому алгоритму, поскольку температура кристалла должна понизиться.
Основные узлы формирователя ШИМ сигнала (рис.96) могут быть выполнены как на дискретных компонентах, так и содержаться в одной интегральной микросхеме. Формирователь ШИМ включает в себя следующие элементы: генератор, ФПН, ИОН, линейные усилители DA1 - DA3, компаратор напряжения DA4, развязывающие диоды VD1 и VD2, делитель частоты на два DD1, цифровые логические элементы DD2.1 - DD2.2, каскад сопряжения с силовой частью преобразователя напряжения КС. Обычно в схему ШИМ регулятора включен каскад для защиты преобразователя от короткого замыкания в нагрузке, для упрощения не показанный на рис. 96.
Рис. 96
Рис.97
Буферный усилитель DA3 своими входами - вход 3 и вход 4 - подключается к выходной точке канала вторичного напряжения. Вместе с функциями буферизации этот усилитель нормирует уровень регулируемого напряжения, то есть выполняет функции делителя напряжения, для возможности сопоставления его величины с номиналом источника опорного напряжения. Сравнение этих значений напряжения и выработка сигнала рассогласования производится усилителем DA2. Сигнал рассогласования через диод развязки VD2 подается на один из входов компаратора DA4. На второй вход компаратора поступает пилообразное напряжение, сформированное каскадом ФПН. Запуск каскада ФПН (начало линейного нарастания напряжения) и одновременный сброс процесса предыдущего периода происходит в момент прихода на него фронта импульса, вырабатываемого генератором. Генератор вырабатывает последовательность импульсов с относительно стабильными частотными характеристиками. Этим заканчивается работа ШИМ регулятора на уровне обработки аналоговых сигналов. Дальнейшее формирование ШИМ сигнала происходит цифровыми способами, при которых все активные элементы, включая и дискретные из КС, функционируют в ключевых режимах.
После отработки компаратором DA4 входных воздействий на его выходе появляется последовательность импульсов, синхронных с частотой пилообразного напряжения, но с модулированной длительностью самого импульса - цифровой ШИМ сигнал. Эта последовательность поступает на входы цифровых элементов DD2.1, DD2.2, выполняющих логическую функцию И (схема совпадения по высокому логическому уровню). На второй вход каждого из элементов схемы DD2 подается последовательность импульсов, частота которых в два раза ниже исходных, формируемых генератором. Понижение частоты в два раза происходит на элементе DD1 - D-триггере, включенном в режиме деления исходной частоты. Изменение состояния выходов триггера происходит при поступлении на его счетный вход С фронта импульса, формируемого генератором. На выходах триггера Q (прямой выход) и -Q (инверсный выход) в каждый момент времени сигналы противофазны. В моменты совпадения высоких уровней сигналов от компаратора и сигналов от делителя частоты (триггера) на входах элементов DD2 и на их выходах появляются импульсы высокого уровня. Периодичность импульсов на выходе каждого из элементов DD2 совпадает с периодом исходной частоты генератора деленной на два. Графически процесс работы ШИМ регулятора показан в виде диаграмм на рис. 97. Точки на схеме (рис. 97), для которых приведены эпюры напряжений, отмечены цифрами в кружочках. Для наглядности на второй диаграмме (рис. 97) кривые напряжений для точек 1 (пилообразное напряжение) и 2 (напряжение на выходе буферного усилителя DA1) совмещены.
Работа данного ШИМ регулятора осуществляется следующим образом: на каскад согласования КС от каждого из элементов схемы DD2 поступают две сдвинутые по времени последовательности импульсов. Это обусловлено спецификой построения силового каскада преобразователя напряжения. Длительность импульсов в каждой последовательности находится в обратно пропорциональной зависимости от текущей величины напряжения вторич-ной цепи (на нагрузке). Силовой каскад преобразователя находится в актив-ном состоянии (передачи энергии) в нагрузку в течение действия на него модулированных по длительности импульсов. Так происходит регулировка выходного напряжения для поддержания его уровня в заданных пределах.
Усилительный каскад DA1 предусмотрен для отключения (блокировки) схемы ШИМ регулятора во время резкого возрастания потребления тока в нагрузке. Входы схемы DA1 подключаются к датчику тока, установленному в цепи нагрузки. Пока разность потенциалов на входах DA1 не превышает заданной величины, то есть ток потребления нагрузки не выходит за верх-нюю допустимую границу, ШИМ регулятор работает в обычном режиме. В момент возрастания тока нагрузки выше установленного предела на выходе DA1 напряжение повышается до величины, достаточной для открывания диода VD1. На катоде VD1 создается положительное напряжение, закрываю-щее диод VD2. Сигнал рассогласования, поступающий от усилителя ошибки DA2 на вход компаратора DA4, шунтируется. Напряжение, установленное на входе компаратора, вызывает резкое сужение импульсов, поступающих от него на цифровые схемы DD2.1 и DD2.2. Силовая часть преобразователя переходит в защищенный режим работы, принудительно ограничивая уро-вень энергии, передаваемой на КС. ШИМ регулятор автоматически восстанавливает работоспособность после устранения перегрузки по выходу.