6.3 Проектирование цепи обратной связи по напряжению

Единственная функция контура обратной связи по напряжению – сохранение постоянного значения выходного напряжения. Осложнения возникают в таких областях, как реакция на переменную нагрузку, точность выходного сигнала, несколько выходов и изолированные выходы. Все эти факторы могут стать «головной болью» для проектировщика, однако если подходы к проектированию осознаны, то каждое из осложнений легко может быть удовлетворительно разрешено.

Сердцем контура обратной связи по напряжению является операционный усилитель с высоким коэффициентом усиления, называемый усилителем ошибки, который усиливает разницу между двумя напряжениями и создает напряжение рассогласования. В источниках питания одно из этих напряжений – это опорное напряжение, а второе соответствует уровню выходного напряжения. Выходное напряжение обычно делится до уровня опорного напряжения еще до того, как подается на усилитель ошибки. Этим создается точка «нулевой ошибки» для усилителя ошибки. Если выход отклоняется от этого «идеального» значения, то напряжение рассогласования на выходе усилителя значительно изменяется. Это напряжение затем используется источником питания для организации коррекции длительности импульсов с целью приведения выходного напряжения обратно к его идеальному значению.

Основные аспекты проектирования, имеющие отношение к усилителю ошибки:

• он должен иметь высокий коэффициент усиления при постоянном токе, который обеспечивал бы хорошую стабилизацию выхода по нагрузке;

• он должен иметь хорошую реакцию на высокой частоте, что обеспечивает хорошую переходную характеристику при изменениях нагрузки.

Стабилизация выхода по нагрузке (output load regulation) определяет, насколько стабильным поддерживается выходное напряжение с изменением нагрузки отслеживаемого выхода. Продолжительность переходных процессов (transient response) определяет, насколько быстро выходное напряжение возвращается к его номинальному значению после отклика на изменение нагрузки. Эти вопросы относятся к области компенсации контура обратной связи, подробно освещенной в приложении Б. Примером элементарного приложения обратной связи по напряжению является неизолированный импульсный источник питания с одним выходом. Если пренебречь компенсацией усилителя ошибки, то конструкция окажется совсем простой. Исследуем ситуацию, при которой стабилизируется выход 5 В, а внутри схемы управления обеспечено опорное напряжение 2,5 В.

Рисунок 53 – Схема не изолируемой обратной связи по напряжению

Для того чтобы начать процесс, следует решить, сколько считываемого тока должно быть получено через резистивный делитель выходного напряжения. Для получения разумных значений компенсации для усилителя ошибки в верхнем плече резистивного делителя следует использовать значения сопротивления в диапазоне 1,5..15 кОм. В качестве тока считывания резистивного делителя будем использовать ток силы 1 мА. В результате резистор в нижнем плече делителя (R₁):

. (6.3.1)

Точность выходного напряжения напрямую зависит от допустимого отклонения номиналов резисторов, использованных в делителе напряжения, и точности опорного напряжения. Для определения результирующей точности все допустимые отклонения складываются. То есть, если внутри делителя используются два резистора с допустимым отклонением 1 %, а допустимое отклонение опорного напряжения составляет 2 %, то в конечном выходном напряжении следует ожидать допустимого отклонения 4 %. Некоторая дополнительная ошибка вводится входным напряжением смещения усилителя. Вклад этой ошибки равен значению напряжения смещения, деленного на коэффициент деления резисторного делителя. Так, если максимальное напряжение смещения усилителя в этом примере составляет 10 мВ, то можно ожидать отклонение выходного напряжения в 20 мВ (в зависимости от температуры это значение может дрейфовать).

В продолжение рассматриваемого примера проекта используем ближайшее значение сопротивления резистора с допустимым отклонением 1% – 2,49 кОм. Это дает следующий фактически считываемый ток:

.(6.3.2)

Верхний резистор (R₂) в резисторном делителе будет иметь сопротивление:

. (6.3.3)

На этом расчет завершен. Позже необходимо выполнить компенсацию вокруг усилителя, чтобы установить усиление постоянного тока и характеристики полосы пропускания.

Если у источника питания присутствует несколько выходов, то следует побеспокоиться об их перекрестной стабилизации. Обычно только один или несколько выходов могут опрашиваться усилителем напряжения рассогласования. В этом случае неопрашиваемые выходы могут стабилизироваться только внутренними способностями к перекрестной стабилизации трансформатора и/или выходных фильтров. Это может привести к проблемам, поскольку изменение нагрузки на опрашиваемых выходах приводит к значительному изменению состояния неопрашиваемых выходов. И наоборот, если нагрузка на неопрашиваемых выходах изменяется, это неадекватно воспринимается через связь в трансформаторе с опрашиваемыми выходами, чтобы получить хорошую стабилизацию.

Для того чтобы существенно улучшить перекрестную стабилизацию выходов, можно считывать более одного выходного напряжения. Это называется опросом нескольких выходов (multiple output sensing). Обычно непрактично опрашивать все выходы, да в этом и нет необходимости. Примером улучшенной перекрестной стабилизации может служить типичный обратноходовой преобразователь с выходами +5 В, +12 В и -12 В. Когда нагрузка на выходе +5 В изменяется от половины номинальной до полной, напряжение на выходе +12 В стремится к значению +13,5 В, а на выходе -12 В – к значению -14,5 В.

Это указывает на плохие внутренние способности трансформатора к перекрестной стабилизации, которые можно немного улучшить с помощью методик бифилярной намотки. Если выходы +5 В и +12 В опрашиваются, а затем выход +5 В нагружается так, как описано выше, то напряжение на выходе +12 В стремится к значению +12,25 В, а на выходе -12 В – к значению -12,75 В.

Опрос нескольких выходов осуществляется путем использования двух резисторов в верхнем плече резисторного делителя считываемого напряжения. Верхние концы резисторов подключены к выходам с разным напряжением (рисунок 54).

Рисунок 54 – Опрос нескольких выходов

Средняя точка резисторного делителя становится точкой суммирования тока, в которой часть общего считываемого тока получается из каждого из считываемых выходных напряжений. Выход большей мощности, а также обычно выход, который требует более тщательной стабилизации, требуют большей части считываемого тока. Выход с меньшей нагрузкой требует баланса считываемого тока. Процент считываемого тока с каждого выхода указывает на то, насколько хорошо он стабилизирован.

Еще раз вернемся к источнику питания с выходами +5 В, +12 В и -12 В. Поскольку нагрузки выходов плюс-минус 12 В обычно обеспечивают мощность для операционных усилителей, сравнительно устойчивых к изменениям напряжения на их линиях V_cc и V_ee, стабилизация их напряжения может быть хуже. Используем те же данные, что и в первом примере этого раздела: R = 2,49 кОм, считываемый ток – 1,004 мА.

На первом шаге определим разбиение тока. Чем меньше считываемый ток, полученный с конкретного выхода, тем хуже стабилизация этого выхода. Определим разбиение тока следующим образом: 70% для выхода +5 В и 30% для выхода +12 В. Тогда сопротивление R₂:

,(6.3.4)

(ближайшее значение).

Для резистора R₃ на выходе +12 В:

. (6.3.5)

При опросе нескольких выходов наблюдаются улучшения во всех комбинациях нагрузки.

Последним способом размещения обратной связи по напряжению является изолированная обратная связь. Такая связь используется, когда входное напряжение рассматривается как смертельно опасное для оператора оборудования (более 42,5 В DC). Существует два приемлемых метода электрической изоляции: оптическая (оптрон) и магнитная (трансформатор). В этом разделе рассматривается более распространенный метод изоляции, когда для изолирования смертельно опасных частей схемы от части оператора используется оптрон.

Коэффициент усиления по току С_trr () оптрона дрейфует с изменением температуры, может немного уменьшаться со временем и обычно имеет большое допустимое отклонение от блока к блоку. Величина C_trr – это усиление по току для оптрона, измеряемое в процентах. Для того чтобы компенсировать эти изменения в оптроне и устранить потребность в потенциометре, усилитель ошибки должен быть размещен на вторичной стороне (или входе) оптрона. Усилитель ошибки будет отслеживать отклонения на выходе, обусловленные дрейфом параметров оптрона, и соответствующим образом корректировать силу тока. Схема типичной изолированной цепи обратной связи показана на рисунке 55.

В качестве вторичного усилителя ошибки обычно выбирают TL431, который имеет опорное напряжение с компенсацией температурных воздействий и усилитель внутри корпуса с тремя выводами. Для точного функционирования ему требуется минимум 1,0 мА непрерывного тока, протекающего через его выходной контакт, а выходной сигнал будет затем добавлен к этому току смещения.

Рисунок 55 – Пример обратной связи по напряжению, изолированной с помощью оптрона

В данном примере усилитель ошибки в схеме управления (а именно UC3843AP) отключен ввиду такого соединения своих выходов, при котором на выходе будет гарантированно получен высокий уровень сигнала. Конкретные значения сопротивлений R не столь важны – примем, скажем, по 10 кОм каждое. Через компенсационный контакт протекает ток 1 мА от внутреннего источника. На него также подано «высокое» напряжение +4,5 В для получения максимальных параметров выхода.

Цепь, которая устанавливает выходную длительность импульсов на компенсационном контакте, – это цепь суммирования тока. Резистор R₁ гарантирует, что рабочий ток от усилителя TL431, связанного через оптрон, не нагружает внутренний нагрузочный источник тока 1 мА в схеме управления, и что на этом контакте достигается напряжение +4,5 В, когда требуется выходной импульс полной длительности. Этот наихудший минимальный ток при максимальных параметрах выхода равен:

. (6.3.6)

Отсюда значение R₁:

.(6.3.7)

Принимаем R₁ = 820 Ом (запас надежности).

Оптрон должен обеспечивать ток большей силы на компенсационный контакт, чтобы получить на нем минимальное выходное напряжение +0,3 В. Для этого ток, передаваемый от оптрона, должен быть равен

.(6.3.8)

Сопротивление резистора R₂ теперь можно определить путем соложения максимальных падений напряжения светодиода оптрона и напряжения на выводах усилителя TL431:

. (6.3.9)

Принимаем R₂ = 200 Ом (запас надежности).

Резисторы, используемые для опроса выходного напряжения, – те же, что и в предыдущем примере применения перекрестного считывания. Для завершения этого раздела остается только выполнить компенсацию усилителя ошибки. В данном случае должен предупредить проектировщика: допустимые отклонения параметров и температурный дрейф играют очень важную роль в проектировании изолированной обратной связи и должны быть учтены в расчетах. Характеристики оптронов (например, C_trr) могут варьировать в диапазоне до 300%, что может потребовать добавить в схему потенциометр. Некоторые оптроны сортируются их производителями по более узкому диапазону значений C_trr, но это бывает редко. Опорное напряжение также должно варьироваться с учетом компенсации температурных воздействий, как это обеспечивается в усилителе TL431.

Задача обеспечения точности выходного сигнала от блока к блоку обычно требует, чтобы отклонение опорного напряжения было сокращено до 2% или менее, а резисторы внутри резисторного делителя напряжения – до 1%. В таком случае точность выходных сигналов получается в виде суммы этих допустимых отклонений и любых погрешностей внутри обмотки трансформатора.

Может существовать множество различных вариантов цепи обратной связи по напряжению, здесь были продемонстрированы лишь наиболее простые и распространенные подходы.