Компенсация контура обратной связи

November 24, 2011 by admin Комментировать »

"Сердцем" каждого линейного и импульсного источника питания является контур отрицательной обратной связи, который поддерживает постоянный уровень выходного напряжения. Для этого используется усилитель ошибки, который пытается минимизировать рассогласование между выходным и идеальным опорным напряжениями. Если бы мир вел себя правильно, то можно было бы использовать только инвертирующий усилитель с большим усилением, и не было бы никаких проблем. Однако реальность заключается в том, что нагрузки изменяются, и входное напряжение внезапно то подскакивает, то падает. Усилитель ошибки должен реагировать на эти изменения быстро и без каких-либо колебаний, а это сделать сложно, поскольку реакция схемы питания всегда "вялая". Если усилитель ошибки реагирует на изменения нагрузки слишком медленно, то источник питания становится инертным. Если же скорость реакции повышается, то сигнал достигает точки, где в нем могут появиться ненужные колебания. Таким образом, проблема заключается в том, насколько быстро и в какой степени реакция усилителя ошибки должна быть подогнана под схему питания.

Не думайте, что познаниями в этой области обладают все, кроме вас. Лишь очень немногие инженеры разбираются в компенсации контура обратной связи, потому что для этого вопроса требуется слишком много фундаментальных математических знаний, которые не так-то легко применить к проектированию реальных схем. В этой книге предложен пошаговый метод, которые всегда действует и позволяет выполнить расчеты меньше, чем за 20 минут.

Б.1. Характеристика Боде типичных цепей,

используемых в импульсных источниках питания

График Боде — это хороший метод работы с системами обратной связи в разных диапазонах частот. В нем применяются логарифмы, поэтому потребуется инженерный калькулятор. Цель этого раздела не в том, чтобы научить читателя всему, что нужно знать о графиках Боде, а лишь дать достаточное понимание поведения элементов реальных цепей и того, как они влияют на скорость реагирования источника питания.

График Боде, фактически, состоит из двух диаграмм: зависимости усиления и фазы от частоты (в Гц). Это — представление относительного сдвига усиления и фазы сигнала выходного напряжения, ориентируясь на сигнал входного напряжения, вносимый любым четырехполюсным каскадом. Когда более, чем один каскадов объединены вместе, соответствующие характеристики Боде можно просто сложить и получить объединенную характеристику Боде.

Простые комбинации компонентов дают характеристики, называемые полюсами и "нулями". Один полюс (рис. Б.1) дает плоскую характеристику от постоянного тока до его частоты излома (corner frequency). Выше частоты излома возникает наклон усиления -20 дБ/декаду. Частота излома — это частота, при которой импедан-

сы (полные сопротивления) двух компонентов идентичны. По крайней мере, один компонент является реактивным; то есть, значение его импеданса изменяется с изменением частоты.

Рис. Б.1. Однополюсный RC-фильтр нижних частот

Импеданс индуктора (ZL = }2kJL) возрастает с частотой, а ток его ветви всегда опережает напряжение ветви на 90 градусов. Импеданс конденсатора (Zc ~ 1/j2я/С), начинается в бесконечности при постоянном токе и понижается с увеличением частоты, а его ток всегда отстает от напряжения на 90 градусов.

На рис. Б.1, изображающем простой фильтр нижних частот, импеданс конденсатора начинается в бесконечности при постоянном токе, затем, когда она сравнивается с импедансом резистора, формируется делитель переменного напряжения, в котором выходная амплитуда составляет половину входной. Это состояние называется точкой б дБ. Фаза выхода по сравнению с фазой входного напряжения равна -45 градусов (то есть, отстает от входного сигнала). В конце концов его фаза достигает 90 градусов, когда импеданс конденсатора становится намного больше импеданса резистора.

Эмпирическое правило для фазы заключается в том, что все воздействия на фазу от полюса или "нуля" происходят внутри диапазона ± 1 декада вокруг ее частоты излома характеристики. "Нуль" (рис. Б.2) — это просто противоположность полюсу. Он имеет плоскую характеристику усиления от постоянного тока до частоты излома, затем эта характеристики повышается со скоростью +20 дБ/декаду и максимальным опережением фазы +90 градусов.

Внутри импульсных источников питания есть цепи с характеристикой двойного полюса, когда оба элемента в каскаде реактивные (например, LC-фильтр в выходном каскаде прямоходового преобразователя) — рис. Б.З. Здесь характеристика плоская от постоянного тока до частоты резонанса, а затем, при высоких частотах, показывает характеристику усиления -40 дБ/декаду и отставание по фазе на -180°. Отставание по фазе напрямую соответствует времени задержки на выходном фильтре прямоходового импульсного источника питания.

Рис. Б.2. Простой дифференциатор "нуля" или фильтр верхних частот

Рис. Б.З. Двухполюсный фильтр: входной заградительный фильтр

Рис. Б.8. Иллюстрация использования математических инструментов

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты