книги / Электронные цифровые приборы

Во входном узле 1 находится выпрямитель сетевого напряжения и (или) гальваническая или аккумуляторная батарея с подзарядным устройством. Нестабилизированное постоянное напряжение посту­ пает на стабилизатор 2. В случае когда требуется всего лишь один ис­ точник стабилизированного напряжения, надобность в дополнитель­ ном преобразователе 3, служащем для получения ряда стабилизиро­ ванных источников питания, отпадает. Однако чаще всего необхо­ димы несколько источников питания, отличающихся напряжением, полярностью, током, наличием или отсутствием заземления и др. Цепь ООС соединяет выход преобразователя 3 с стабилизатором 2 (штриховая линия относится к случаю отсутствия преобразователя).

%»->•

лях рассредоточения источника нагрева в объеме прибора, а так­ же уменьшения потерь в подводящих проводах, что особенно актуально для систем, целесообразно передавать стабилизирован­ ное переменное напряжение, а выпрямление и дополнительную ста­ билизацию проводить непосредственно в узлах потребления; соот­ ветствующий выход показан на схеме Ц/Ст~,).

7.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СТАБИЛИЗИРОВАННЫ Х ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Чаще всего к числу наиболее значительных относят следующие

параметры стабилизатора.

Коэффициент стабилизации — параметр, позволяющий оценить способность сглаживать изменения или пульсации, имеющиеся во входном напряжении стабилизатора,

/Сет = (ДС/вх/С/Вх)/(ДС/ст/С/ст)-

Различают статический и динамический коэффициенты стабилизации. В первом случае определяются относительные изменения постоян­ ного напряжения на входе и постоянного напряжения на выходе ста­ билизатора; при большом коэффициенте стабилизации определить приращение на выходе стабилизатора можно лишь с помощью вольт­ метра с очень низким порогом чувствительности. При определении

динамического коэффициента стабилизации используются относи­ тельные приращения пульсаций на входе и выходе стабилизатора. Удобно определять динамический коэффициент стабилизации с по­ мощью осциллографа; при этом в качестве АС/ВХпринимается размах пилообразного напряжения на выходе выпрямителя, а А11ст— это уровень пилообразного напряжения, содержащийся в выходном ста­ билизированном напряжении. В некоторых стабилизаторах непре­ рывного действия статический коэффициент стабилизации достигает значения Кп = 1000, а динамический коэффициент легко довести до десятков тысяч, и ограничивается он лишь уровнем шумов и не­ стабильностью элементов схемы. В импульсных стабилизаторах изза наличия инерционных узлов статический коэффициент стабили-

Рис, 7.2, Схема для определения динамического выход­ ного сопротивления стабилизатора

зации не превышает значения Кст — 30 и лишь, приняв особые меры для расширения частотной характеристики, можно получить /Сст ^ ~ 100; для получения более высокого коэффициента приходится включать несколько каскадов стабилизации. При этом получить высокий динамический коэффициент не сложно, например, путем улучшения фильтрации.

Выходное сопротивление — параметр, позволяющий оценить спо­ собность стабилизатора поддерживать практически неизменное вы­ ходное напряжение на нагрузке при изменении тока нагрузки в за­ данных пределах:

^?вых = А(/Ст/Д/я-

Статическое выходное сопротивление определяется по наклону на пологом участке внешней характеристики стабилизатора 11н =

— Ф (/в)- Так же, как и при определении статического коэффициента стабилизации, для оценки величины А1)„ требуется вольтметр с низким порогом чувствительности. Для определения динамического выходного сопротивления или сопротивления на переменном токе можно воспользоваться схемой, показанной на рис. 7.2. Напряже­ ние Ц1_ = 5...10 В подается на делитель КШвых (разделительная емкость Ср препятствует попаданию постоянного тока в цепь источ­ ника (/1^); определив с помощью осциллографа 11^ и {/_, полу­ чим значение динамического выходного сопротивления из соотно­ шения

Я.ЫХ.Д = Д ( С / _ Д / , - ) .

В стабилизаторах с коэффициентом стабилизации КСт> Ю4 дина­ мическое выходное сопротивление удается снизить до единиц мОм;

следовательно, #„ых.д становится соизмеримым с сопротивлением печатных проводников, рациональное расположение которых имеет большое значение.

Стабильность напряжения. В ряде случаев помимо сглаживаю­ щих функций стабилизатора необходимо обеспечить максимальнуюстабильность уровня стабилизированного напряжения, что, в частнос­ ти, позволяет использовать его в качестве образцового или опорного источника напряжения. Отклонение выходного напряжения стаби­ лизатора при неизменном значении напряжения и тока нагрузки определяется температурной и временной нестабильностью элемен­ тов, а также напряжением шумов.

Снижение температурной нестабильности достигается примене­ нием стабилитронов с минимальным температурным коэффициентом

всочетании с термостатированием, прецизионных резисторов в де­ лителях, введением температурной компенсации р-я-переходов и др. Временная нестабильность и шумы вызываются старением элемен­ тов и случайными флуктуационными процессами. Для оценки ожи­ даемой нестабильности, например, с целью введения коррекции, необходимо располагать сведениями о характере закона распределе­ ния случайных отклонений во времени, что позволило бы определить

вчастности среднеквадратичное отклонение для каждого из элемен­ тов. Как правило, подобные сведения либо отсутствуют, либо явля­ ются сугубо ориентировочными. Для получения малой временной нестабильности с возможно меньшим уровнем шумов необходимо применять элементы повышенной надежности и точности с низкими шумовыми параметрами, а также снижать электрическую нагрузку этих элементов. Определение уровня нестабильности требует дли­ тельных исследований.

Коэффициент полезного действия. В связи с массовым исполь­

зованием измерительных средств и повышенной плотностью монтажа дальнейшее уменьшение массо-габаритных характеристик электрон­ ных устройств и приборов связано с повышением КПД (л) блока пи­ тания. Приняв некоторые упрощения, можно считать, что относи­ тельный объем блока питания в приборе близок к значению (! — л)- КПД определяется из соотношения:

Л ~ У, ^ыСст«/Р —'»

1=1

где Р~ — активная мощность, потребляемая от сети.

В случае автономных приборов учитывается мощность, потреб­

ляемая от батарейных источников		Р~,
	П	с т \/Ракк*
	Л = 3 2
	1=1
В стабилизаторах	непрерывного действия трудно получить
Л > 40—50 %, в связи	с чем большое внимание уделяется совер­

шенствованию импульсных стабилизаторов, в которых возможно получить более высокий КПД. При этом, однако, должны быть уст­ ранены серьезные недостатки импульсных стабилизаторов, проявля-

«ощиеся при использовании в измерительных и вычислительных устройствах.

Периодические и случайные помехи (ЛИСП)*. Параметр оцени­ вается в основном уровнем импульсных помех, которые возника­ ют вследствие сквозных токов коммутирующих транзисторов и дио­ дов и достигают значений, при которых использование источников питания в измерительной технике недопустимо. Уровень ПИСП можно определять с помощью схемы, показанной на рис. 7.3. Ток импульсной помехи / и.„ замыкается через межобмоточные емкости С силовых трансформаторов, а падение напряжения на резисторе

Я» 100 Ом измеряется осциллографом. Измерение надо проводить

врежиме полного отбора мощности. Контрольные измерения пока-

Стабияизаробанный					Осциллограф
источник питания
1	!				!	!
т р	р	—о—	<-------1 - 0 —	Т	1Г	г
			100
Сеть			1ип		Сеть

Рис. 7.3. Схема для определения уровня импульсных помех

зали, что в некоторых серийных импульсных стабилизаторах, осно­ ванных на ШИМ-модуляции при мощности 100—200 Вт, уровень импульсных помех достигает 30—50 мА. Ниже будут рассмотрены

пути снижения токов импульсных помех до	значения	< 1 мА.
Допустимый сброс нагрузки — параметр,	позволяющий оценить

способность стабилизированного источника сохранить уровень вы­ ходного напряжения ((/Ст) при сбросе тока нагрузки. Необходи­ мость в таких широких пределах изменения /„ вполне очевидна для автономных блоков питания. Вместе с тем возможность автомати­ ческой подстройки стабилизатора при большом снижении тока нагрузки представляет собой большое удобство и для блоков пита­ ния, входящих в состав измерительного устройства; в процессе на­ ладки или ремонта прибора часть узлов не функционирует. Здесь не имеется в виду замена выключенной части нагрузки буферной; автоматическая регулировка должна действовать так, чтобы при сбросе потребляемой мощности от стабилизатора снизилась и мощ­ ность, потребляемая от сети.

Даже из этого краткого перечня характеристик блока питания следует, что такой вопрос, как оптимальный выбор и сравнение БП, является непростым. Не следует сравнивать приборы по какому-то одному параметру, так как БП могут относиться к устройствам разного класса. Так, например, некорректно отдавать преимуще­ ство высокочастотным импульсным стабилизаторам с удельной мощ*

* В иностранной литературе — РАК О (репосЛс апс1 гапсЬт йеу1а1юп). 1

172

ностью около 1000 Вт/дм3 перед низкочастотными, у которых дости­ гается, примерно, 100 Вт/дм3, поскольку другие параметры (ЛИСП, динамический диапазон нагрузок и др.) у последних намного лучше.

7.3. ВХОДНОЙ УЗЕЛ БЛОКА ПИТАНИЯ

Общеизвестна структура, включающая понижающий трансфор­ матор, диодный выпрямитель и фильтр. Выпрямление и последую­ щая стабилизация на низких уровнях напряжения и, следовательно, больших токах отрицательно сказывается на КПД выпрямителя, в связи с чем во всех случаях, где это возможно, стремятся применить бестрансформаторный входной узел БП. Такое решение оказалось возможным благодаря появлению на рынке высоковольтных диодов

Рис. 7.4. Схема бестрансформаторного входного узла

и транзисторов. На рис. 7.4 показана, в качестве примера, схема бестрансформаторного входного узла с выпрямленным напряжением II» са 300 В. Симметричный входной фильтр, состоящий из двухоб­ моточного дросселя Ы и конденсаторов С1—С4, препятствует прохождению высокочастотных помех и наводок как в БП от сети, так и из БП в сеть; сглаживается выпрямленное напряжение кон­ денсатором С5.

В приборах автономных, рассчитанных на эксплуатацию в поле­ вых условиях, используется питание от химических источников — гальванических батарей или аккумуляторов. Отсутствие малогаба­ ритных химических источников большой емкости, пригодных для питания измерительных приборов, в течение длительного времени •ограничивается применение автономного питания устройствами не­ большой мощности при общем времени включения до 8—10 ч. Обыч­ но блок питания выполняется комбинированным, позволяющим работу от сети, от батареи гальванических элементов или от акку­ муляторов. В последнем случае узлы питания чаще всего строят альтернативными; используя схему преобразователя с двумя источ­ никами — от аккумулятора и от сети, возможно питать прибор от аккумуляторов при отсутствии сети и от сети, не прибегая к какимлибо переключениям (при этом происходит автоматический заряд аккумуляторов до номинального уровня).

Упрощенный вариант известной схемы Севернса — Блума показан на рис. 7.5. Понижающий трансформатор 77 и выпрямитель ВП обеслечивают подачу выпрямленного напряжения 1/г на первичную

обмотку м — ЛЛг) трансформаторного преобразователя (7 7 ,81,82) через диод УИ1. Поскольку (/, всегда несколько превышает напря­ жение 112аккумуляторной батареи БА, напряжение, наведенное на первичной обмотке — Ы2), превышает И2%диод УЭ2 запирается и происходит заряд аккумуляторов через резистор Я1 и ключи 83 и 84. Заряд длится до тех пор, пока напряжение 112не достигнет номи­ нального значения в соответствии с равенством

и г -	У о\ = (ЛУЛГ8) (СГ2 - 1/т ),
где 11ои С/м — падение напряжения на диодах УИ1, У02.
Сигналы управления	ключами должны обеспечить синфазкосгь

I чботы ключей 81 и 55 (82 и 84).

Рис. 7.5. Схема входного узла комбинированного блока питания

При отсутствии сети нагрузка питается от БА. На схеме (рис. 7.5) не показаны узлы стабилизации постоянного напряжения и приве­ дена лишь одна вторичная обмотка ( # 3 — /У3), питающая нагрузку. Далее будут рассмотрены пути построения многоканальных источ­ ников стабилизированного напряжения.

7.4. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Стабилизаторы непрерывного действия на дискретных элементах •глотаются малым уровнем помех, высоким коэффициентом стабили­ зации, малым выходным сопротивлением и могут обеспечить высо­ кую стабильность напряжения; рекомендации по их проектированию ааны, например, в работе 1621. Стабилизаторы непрерывного дей­ ствия в интегральном исполнении существенно уступают стабилиза­ торам на дискретных элементах по упомянутым выше характери*

стикам, однако, отличаясь миниатюрными размерами и простотой в эксплуатации, находят широкое применение. В связи с невысоким КПД стабилизаторы непрерывного действия используются в приборах с малым потреблением (до десяти ватт).

Необходимость повышения КПД в блоках питания средней и большой мощности заставляет перейти на импульсные стабилизато­ ры. Однако на пути их широкого применения в приборостроении до последнего времени стояли серьезные препятствия. Рассмотрим свойства и особенности наиболее распространенных импульсных стабилизаторов с ШИМ-управлением, простейшая схема которого показана на рис. 7.6. Простота и широкий диапазон регулирования мощности на выходе (полный сброс тока нагрузки приводит к тому,

что	длительность				им­	VТ/		и		и<п
пульса управления равна
						'Тгут		-ппп-	т
нулю)		относятся к поло­					т -			-о
жительным			свойствам				!йиц>	02
схемы.		Схеме,		однако,			Т Ж ™
свойствен ряд существен­						1 р п г	I
ных недостатков:						— о -	X
высокий				уровень
сквозных токов и вызван­						ОтГЛН
ных	ими		импульсных
						СМ		•и»
помех при работе тран­
зисторов и диодов, ком­						Рис. 7.6. Схема импульсного стабилизатора
мутирующих			большую			ШИМ-регулированиеы
мощность; введение					ре­
жима		работы «с		паузой		в нуле» с целью исключения перекрытия

проходного транзистора и замыкающего диода не дает радикаль­ ного улучшения, так как переключения мощности сопровождаются быстрым перезарядом паразитных емкостей;

большие статические и динамические потери из-за падений на­ пряжения на коммутирующих элементах, в дросселе фильтра и схе­ ме управления (требуется сформировать большой ток управления проходным транзистором, имеющим малое значение 0); не оправда­ лись в должной степени надежды на снижение статических потерь путем замены кремниевых замыкающих диодов диодами Шоттки Ф р = 0,4 В), а их большая междуэлектродная емкость не способ­ ствует уменьшению динамических потерь;

возможность повышения частоты коммутации ограничена дли­ тельностью переходных процессов и током нагрузки (скорость раз­ ряда при закрытом проходном транзисторе определяется током на­ грузки);

непригодность схемы для стабилизации высоковольтного напря­ жения;

дроссель фильтра работает в режиме подмагничивания (ток заря­ да и разряда протекает в одном направлении), что препятствует уменьшению его габаритных размеров и потерь.

Изложенные здесь свойства стабилизаторов с ШИМ-управлением обусловили достаточно низкий КПД (до 50—55 %) и недопустимо

большие импульсные помехи, что привело к необходимости поиска других решений. Существует ряд альтернативных способов регули­ рования выходного напряжения стабилизатора помимо изменения скважности силовых импульсов — путем изменения амплитуды и частоты импульсов или комбинацией параметров импульсной после­ довательности. Известны различные попытки использования того или иного принципа построения импульсных стабилизаторов; к чис­ лу удовлетворительных решений можно, на наш взгляд, отнести квазирезонансный, обозначенный здесь как частотно-амплитудный, способ регулирования напряжения, обеспечивающий высокие пока­ затели по КПД и уровню импульсных помех [12]. Упрощенная схе­ ма стабилизатора показана на рис. 7.7, а, а временные диаграммы — на рис. 7.7, в—е. Элементами стабилизатора являются транзисто­ ры УТ1, УТ2, дроссель /.7, конденсаторы С1—С4, диоды УЬ1, УВ2; схема управления включает компаратор Кп, состоящий из двух дифференциальных операционных усилителей ОУ1, ОУ2 и суммиру­ ющего усилителя ОУЗ, преобразователь напряжение — частота ГУН, делители Дл1, Дл2, две схемы И (И1, И2) и два формирователя импульсных последовательностей ФИ1, ФИ2.

На вход стабилизатора подается выпрямленное напряжение (при бестрансформаторном входе 1ГЪ= 300 В). На базы транзисторов поступают импульсные последовательности возбуждения, смещен­ ные по фазе друг относительно друга на к, которые управляют ра­ ботой коммутирующих транзисторов УТ1 и УТ2, навязывая цикл работы стабилизатора. Пусть проводящим был транзистор УТГ, с появлением заднего (отрицательного) фронта импульса из последо­ вательности (рис. 7.7, в) транзистор УТ1 запирается. Током, соответ­ ствующим магнитному потоку, накопленному в дросселе Ы , проис­ ходит перезаряд конденсатора С1 и всех паразитных емкостей — в точке ш» формируется отрицательный фронт последовательности (рис. 7.7, д)\ при этом ток дросселя замыкается через инверсно включенный транзистор УТ2, Важно отметить, что фронт является частью колебательного процесса, возбуждаемого включением тран­ зистора УТ1 в контуре, состоящем из индуктивности дросселя Ы и емкости С1\ штриховая кривая указывает на то, как продолжался бы процесс, если бы точка т не была зафиксирована на нулевом потенциале при инверсном включении УТ2. После запирания тран­ зистора УТ1 ток дросселя, достигший уровня 1 (рис. 7.7, е), начинает снижаться. При спаде тока дросселя до нуля транзистор УТ2 должен быть запертым, но этому препятствует появившийся управляющий импульс из последовательности (рис. 7.7, г). Одно­ временно с прекращением тока дросселя запирается диод УИ2, поскольку произошло снижение потенциала его анода; при этом открывается диод У01 и начинается нарастание тока дросселя в противоположном направлении по нормально открытому транзисто­ ру УТ2. С появлением отрицательного фронта управляющего им­ пульса из последовательности (рис. 7.7, г) транзистор УТ2 запира­ ется, а ток дросселя, достигший уровня 2 (рис. 7.7, е), начинает уменьшаться до нуля, при этом потенциал точки пг нарастает до

ад/ иг

ш

ФИ2 И1

№

			о	У77	и	ум
УТ1		Т Д ™		ЙЛ1	7	У3)2
Ч)		03 Л	Цеп			-Й1
			К Ф И 1
	и	Ъ1ум	5	Ь	с'з	Ск	Ост
а	__		и ф и г				№*
		5 7 ш	в
V Т 2	02					Ш
	1 # 1 ,И© 1 1					-Й]
^ 1						■УМ
					6 - 1- - к н

Рис. 7.7. Стабилизатор напряжения с частотно-ампли­ тудным регулированием:

в, б — схемы; а—е — времени^* диаграммы

уровня Е по открытому инверсно для тока дросселя транзистору УТ1. С прекращением тока дросселя открывается диод УИ2 и ток дросселя, меняя направление, проходит по нормально открытому транзистору УТ1, дросселю Ы , диоду УИ2 и нагрузке К л — на­ чинается развитие следующего цикла.

На временных графиках (рис. 7.7, в—ё) показано, что с пони­ жением частоты управляющих импульсов при сохранении постоян­ ства скважности импульсных последовательностей амплитуда колебаний тока дросселя, а следовательно, и уровень выходного на­ пряжения на нагрузках к нг и К& возрастают. Эта схема без исполь­ зования цепи ООС применяется в качестве регулятора уровня выход­ ного напряжения с частотным управлением.

Для количественной оценки процесса примем, что импульсы напряжения в точке т близки к прямоугольным. Принимая усреднен­

ное значение падения на дросселе (одинаковое	при смене поляр­
ности), получаем ток дросселя
/ДР= (^дрД-) Т	(7.1)

Конденсаторы СЗ и С.4 заряжаются током дросселя в течение поло­ вины периода, а разряжаются током нагрузки /„ в течение периода, следовательно,

/др7У2 = 1.Т, что с учетом выражения (7.1) приводит к зависимости

/ . = « 'дрВ Д Т

Пропорциональность тока нагрузки периоду следования силовых импульсов приводит к увеличению /„ при снижении частоты им­ пульсов, поддерживая на выходе неизменное значение 1)„, или к увеличению напряжения на выходе стабилизатора при постоян­ стве1тока нагрузки. Увеличение тока дросселя с ростом периода следования импульсов показано на рис. 7.7, е.

Процесс стабилизации выходного напряжения на нагрузках #„1 •и #н2 (рис. 7.7, а) проходит следующим образом: пусть по какой-то причине напряжение на нагрузках (1/СТ1 и (У„г) снизилось; диффе­ ренциальные операционные усилители ОУ1 и ОУ2 преобразуют выходные напряжения в асимметричные, которые поступают на суммирующий усилитель ОУЗ, на второй вход которого подается опорное напряжение (/„„. Разностное напряжение с выхода ОУЗ подается на преобразователь напряжение — частота ГУН — в дан­ ном случае частота снижается. Делители и схемы И соединены та­ ким образом, чтобы образовать две импульсные последовательности со скважностью и задержкой, как это показано на рис. 7.7, в, г. Снижение частоты управляющих импульсов ведет к увеличению тока дросселя и, следовательно, к компенсации снижения выходного напряжения.

В реализованных стабилизаторах (1/в = 300 В, и„ \ — 1/ст2 — = 150 В) подтвердились преимущества частотно-амплитудного спо­ соба регулирования;