Jl
DR. R E D L R I C H Á R D — N Ó V Á K ISTVÁN BME Mikrohullámú Híradástechnikai Tanszék
Kapcsolóüzemű feszültségstabilizátorok áramvezérlése, új módszer a szabályozási paraméterek javítására ETO
A kapcsolóüzemű feszültségstabilizátorok előnyös tulajdonságaik (nagy energiaátalakítási hatásfok, kis fajlagos súly és térfogat) m i a t t egyre szélesedő körben használatosak. N é h á n y n e m k í v á n a t o s sajá tosságuk azonban bizonyos mértékig lassítja elter jedésüket. A kisszintű vezérlő á r a m k ö r bonyolultsága az integrált á r a m k ö r ö k k o r á b a n m á r nem jelent h á t r á n y t , de a gyakran t a p a s z t a l h a t ó gerjedékenység, a disszipatív stabilizátorokéhoz képest megnöve kedett tranziens idő és a m p l i t ú d ó a n n á l i n k á b b . A fenti tulajdonságokra a stabilizátorok kisfrekven ciás, kisszintű modelljeiből s z á m í t o t t szabályozási p a r a m é t e r e k [1] alapján is k ö v e t k e z t e t h e t ü n k . B á r a kisfrekvenciás modellből nem következik, de a szélességmodulátoros vezérlés leírófüggvényes analí zise segítségével k i m u t a t h a t ó az alharmonikus osz cillációs hajlam [2], amely a megengedhető hurok erősítés m é r t é k é t korlátozza jelentős m é r t é k b e n , í g y sokszor az előírt e g y e n á r a m ú stabilitás megvaló sítása is nehézségekbe ütközik. A fenti nehézségek kiküszöbölésére többféle mód szerrel is p r ó b á l k o z t a k . A feszültségcsökkentő és származékkapcsolásai esetében például jól használ h a t ó az egyhurkos, önrezgő szabályozás, amelynek t ö m b v á z l a t á t az 1. á b r á n l á t h a t j u k . E n n é l az á r a m körnél a főágban elhelyezett hiszterézises elem U hiszterézisfeszültségének csökkentésével az egyen á r a m ú stabilitás tetszés szerinti m é r t é k b e n j a v í t h a t ó [3]. G á t a t csupán a növekvő kapcsolási frekvencia és az ezzel e g y ü t t növekvő dinamikus veszteségek jelentenek. H
A másik k é t alaptípusnál (fészültségnövelő, pola ritásváltó) az önrezgő m ű k ö d é s nem a l a k í t h a t ó k i az 1. á b r á n f e l t ü n t e t e t t m ó d o n . Ezekben az esetekben a t ö b b h u r k o s visszacsatolások különféle v á l t o z a t a i Beérkezett: 1978. V. 10.
621.316.722.1.07 6
nak alkalmazásával lehet j a v í t a n i a szabályozási tulajdonságokat [4], [5], [6], [7]. B á r ezek a megoldások jelentős m é r t é k b e n csökkentik a statikus és d i namikus szabályozási h i b á k a t , realizálásuk és analí zisük e g y a r á n t bonyolult, nehezen kézben t a r t h a t ó . Jelentős j a v u l á s t eredményez az állapotsíkban fel lépő határciklus közvetlen számításán alapuló vezér lési módszer [8], de ez a közeli jövőben valószínűleg nem válik gyakorlatilag is a l k a l m a z h a t ó v á .
N
Igen j ó kompromisszum azonban a kapcsolóüzemű stabilizátorok szabályozási paramétereinek optima lizálására az ú g y n e v e z e t t áramvezérlés, amelynek t ö m b v á z l a t á t a 2. á b r a mutatja be. A m ű k ö d é s lé nyege a következő. A vezérlőegység egyik b e m e n e t é re a teljesítményt á t a l a k í t ó végfokozat i n d u k t í v elemének á r a m á v a l a r á n y o s jelet v e z e t ü n k . H a az á r a m elért egy bizonyos maximumot, a vezérlő k ö r a kapcsolót megszakítja. A m a x i m u m é r t é k é t külső feszültséggel (visszacsatolt esetben a felerősített hibajellel) m e g v á l t o z t h a t j u k . A visszakapcsolás elő írt i d ő t a r t a m ú vagy előírt nagyságú áramcsökkenés u t á n k ö v e t k e z h e t be. A módszer előnyei: — a vezérlő feszültségre (U ) v o n a t k o z ó átviteli függvény, valamint a szabályozási p a r a m é t e r e k e t megadó függvények elsőfokúak, így kisfrekvenciás instabilitási p r o b l é m á k gyakorlatilag nem lépnek fel; — h a s z n á l a t á v a l a stabilizátor automatikusan t ú l á r a m v é d e t t é válik. v
áteresztő
aU
ki
|H 596-RN11
1. ábra. Egyhurkos önrezgő stabilizátor tömbvázlata
321
HÍRADÁSTECHNIKA X X I X . ÉVF. 11. SZ.
_ Vezérlés *apcsaiós,ha (i>li
|—IVégfbkoz :ozat ...Mi/elem •ezéreltkapés vezéreli cso/ó kiemelve)
őUrrf
2. ábra.
-O
/.
]H 596-RN2]
Áramvezérelt stabilizátor tömbvázlata
Az áramvezérlés egy k o n k r é t v á l t o z a t á t és alkal m a z á s á t a feszültségnövelő kapcsolásra [9] ismerteti. Az irodalomból azonban hiányzik az áramvezérlés statikus és dinamikus tulajdonságainak részletes t á r gyalása, a visszacsatolás h a t á s á n a k analízise és a fel v e t ő d ő gyakorlati p r o b l é m á k vizsgálata. É cikk célja ennek a h i á n y n a k a pótlása és ugyan akkor egy viszonylag szemléletes és a kapcsolóüzemű stabilizátoroknál jól a l k a l m a z h a t ó matematikai le írásnak — az i n j e k t á l t á r a m o k módszerének — be m u t a t á s a . Ez a módszer az a u t o m a t i k á b ó l ismert h a t á s v á z l a t vagy t ö m b v á z l a t megjelenítés segítségé vel nemcsak az alapkapcsolások szabályozási para métereinek m e g h a t á r o z á s á r a alkalmas, hanem pél d á u l egyszerűen lehetővé teszi a bemeneti és kimene t i szűrőtagok, a k ö r b e n fennálló késleltetések és egyéb járulékos h a t á s o k s z á m í t á s á t is [10].
Az áramvezérlés célszerűen az első k é t módszerrel valósítható meg. Az állandó frekvenciájú v á l t o z a t r ó l az alább részletezett m ó d o n egyszerűen b e b i z o n y í t h a t ó , hogy csak 50% alatti kitöltési t é n y e z ő n é l stabil a m ű k ö d é s , a megszakított á r a m ú ü z e m m ó d n á l pedig mind a kapcsolóeszközöknek (tranzisztor, dióda), mind a szűrőkör elemeinek (fojtó, konden zátor) igen rossz a kihasználtsági foka. E z a foly tonos á r a m ú üzemmódhoz viszonyítva azonos fe szültség- és teljesítményszinteknél k b . h á r o m s z o r nagyobb csúcsáramú félvezetőket és h a s o n l ó k é p p e n k b . háromszoros értékű r e a k t á n s elemeket jelent. Az állandó működési frekvenciájú v é d e l e m insta bilitását a 3. á b r a jelalakjai alapján vizsgáljuk. A le vezetés a feszültségcsökkentő v á l t o z a t r a érvényes, de hasonló megfontolásokkal azonos e r e d m é n y t kapunk a másik k é t alapkapcsolásra (feszültség növelő, polaritásváltó) is. Állandósult állapotban a fojtó á r a m á n a k m i n i m u m á t az TU k(l-k) M~ (1) be
L
összefüggés adja meg, ahol I a megengedett csúcs á r a m , U a tápfeszültség, T a periódusidő, L a fojtó i n d u k t i v i t á s a , k pedig a kitöltési tényező (k = T /T). H a valamilyen külső h a t á s k ö v e t k e z t é b e n az á r a m minimum megváltozik, akkor az (n + l)-edik perió dusban értéke (az előző periódusbeli é r t é k k e l k i fejezve): k TU, be • - t k-i„ (2) n+l~ M í-k M
be
be
1
l
1
Legyen *'«+! ~Im — ^'n+1
1. Az áramvezérlés elve
(3).
es (4)
Áramvezérlésre elvileg minden olyan á r a m k o r l á tozási módszer alkalmas, amely a végfokozat tran zisztora számára a túlterhelés alatt is valódi kap csolóüzemet, azaz telítéses (kis maradékfeszültségű) vezetést, illetve kis m a r a d é k á r a m ú z á r t á l l a p o t o t biztosít. A gyakorlatban ezek közül számításba ve h e t ő eljárásokat [11] és [12] tárgyalja részletesen. Á r a m k o r l á t o z á s r a a k ö v e t k e z ő lehetőségek van nak: — hiszterézises védelem, amelynél a v é d ő á r a m k ö r a v é g t r a n z i s z t o r t egy adott felső áramszintnél lekapcsolja, egy adott alsó á r a m s z i n t n é l pedig visszakapcsolja; — állandó kikapcsolási idejű védelem, ahol a felső á r a m s z i n t elérésekor a végtranzisztor előre m e g h a t á rozott i d ő t a r t a m r a z á r t állapotba k e r ü l ; — állandó frekvenciájú t ú l á r a m v é d e l e m , ahol a felső á r a m s z i n t elérésekor a végtranzisztor kikap csol, visszakapcsolás pedig ú g y t ö r t é n i k , hogy a m ű ködési frekvencia állandó marad; — az ú g y n e v e z e t t m e g s z a k í t o t t á r a m ú ü z e m m ó d alkalmazása, i t t az i n d u k t í v elem á r a m a a működési ciklus egy részében zérusra csökken [13], a rövid zárási á r a m pedig bizonyos t o v á b b i feltételek telje sülése esetén ([12], [14]) korlátos, á l t a l á b a n elfogad h a t ó é r t é k ű marad.
322
(l)-et, (3)-at és (4)-et (2)-be helyettesítve a követ kező e r e d m é n y t kapjuk: Ai n+l-
n. periódus
1-k
h+1
AL
(5)
nt2
]H 596-RN3I
3. ábra. Jelalakok az állandó frekvenciájú működés vizsgála tához
DR. R E D L R.—NÓVÁK I . : KAPCSOLÓÜZEMŰ FESZÜLTSÉGSTABILIZÁTOROK ÁRAMVEZÉRLÉSE ->be
2. Analízis az injektált áramok módszerével
T
Cm.
[W]
a,
[J] i
Feszültségcsökkentő Iu—f
D
ö, Feszti
itségnövelo
cj Polaritásváttó
1
H596
'
RN4
1
4. dfora. Áramvezérelt kapcsolóüzemű stabilizátortípusok
Ez pedig azt jelenti, hogy 50% fölötti kitöltési t é nyező esetén a perturbáció nem cseng le, mivel ekkor az á r a m m i n i m u m o k m e g v á l t o z á s á t megadó m é r t a n i sor h á n y a d o s a 1-nél nagyobb abszolút é r t é k ű lesz. A rögzített működési frekvencia t e h á t csak 50% alatti kitöltési tényezőnél teszi lehetővé a stabil m ű ködést. A hiszterézises védelmen alapuló áramvezérlést a h á r o m alapkapcsolásra a 4. á b r a mutatja be. A m ű k ö d é s m i n d h á r o m á r a m k ö r n é l azonosan ma g y a r á z h a t ó . A fojtó á r a m á v a l a r á n y o s feszültségből kivonjuk a megfelelően felerősített hibajelet, u -t, és az eredő feszültséget, u -t egy hiszterézises kompar á t o r bemenetére vezetjük. H a u elérte a k o m p a r á tor felső billenési szintjét U -et, az á r a m k ö r álla potot v á l t és lezárja a kapcsoló tranzisztort. Állandó hibajel esetén visszabillenés — azaz a kapcsoló tran zisztor vezetése — akkor k ö v e t k e z i k be, ha a fojtó á r a m a az U —U hiszterézisfeszültségnek meg felelő értékkel csökken. N ö v e k v ő k i m e n ő feszültség esetén kisebb áramszintnél v á l t állapotot a kompar á t o r , így jön létre a feszültségstabilizálás. v
c
e
A kapcsolóüzemű stabilizátorok analízisére t ö b b eljárás ismeretes (1. p l . [15], [1]). A t á p e g y s é g t e r v e z ő m é r n ö k ö k körében ezek közül leginkább az á t l a g o l t , kisfrekvenciás modellek terjedtek el. E z t viszony lagos egyszerűségük és szemléletességük indokolja. Mivel azonban a statikus nagyjelű és a dinamikus kisjelű k a r a k t e r i s z t i k á k kifejezései e g y a r á n t t a r t a l m a z z á k a kitöltési tényezőt m i n t független v á l t o z ó t , az irodalomban megadott összefüggések az á r a m vezérlésre közvetlenül nem a l k a l m a z h a t ó k . Az áramvezérlés leírására t e h á t olyan m ó d s z e r t kellett keresni, amelyik megőrzi az átlagolt, k i s frekvenciás modellek szemléletességét, de kiküszöböli a kifejezésekből a kitöltési tényezőt. Az i n j e k t á l t á r a mok módszere [16], [17] erre a célra különösen alkal masnak t ű n i k . Ez az eljárás a kimeneti oldalon elhe lyezett á r a m k ö r b e (szűrőkondenzátor, terhelés, eset leg járulékos szűrés) befolyó — injektált — á r a m és a k i m e n ő feszültség közötti kapcsolatot vizsgálja. Lényegéből k ö v e t k e z ő e n optimális az á r a m v e z é r lés analízisére. Segítségével a bemeneti oldali s z ű r ő körök h a t á s a is egyszerűen leírható. E g y a r á n t alkal mas a statikus, nagyjelű és a dinamikus, kisjelű (átlagolt) k a r a k t e r i s z t i k á k számítására. T e r m é s z e tesen nemcsak az áramvezérlés, hanem a klasszikus, kitöltésitényező-vezérlés esetében is f e l h a s z n á l h a t ó , erre lett kifejlesztve [17], [10]. A t o v á b b i a k b a n az injektált á r a m o k m ó d s z e r é t az áramvezérelt, feszültségnövelő s t a b i l i z á t o r r a al kalmazva mutatjuk be. Hasonló gondolatmenettel analizálható a másik k é t alapkapcsolás is. A végfokozat kapcsolási rajza és a jelalakok a 6. á b r á n l á t h a t ó k . A levezetés során hiszterézises sza bályozó k ö r t és folytonos á r a m ú ü z e m e t t é t e l e z ü n k fel. A visszacsatolás h a t á s á t i t t nem vizsgáljuk, erre a következő pontban t é r ü n k k i . A 4Í> á b r a á r a m körét a hibajelerősítő u t á n n y i t j u k fel. E g y s z e r ű e n b e l á t h a t ó , hogy a fojtó á r a m á n a k szélső értékei (I és I ) az u„ feszültséggel a r á n y o s a n v á l t o z n a k , M
m
M
M
m
Beme neti szűrő
Kime neti „ szűrő és ter helés
Az állandó kikapcsolási idejű vezérlések t ö m b v á z latai megegyeznek a 4. á b r á n l á t o t t a k k a l , csupán a hiszterézises k o m p a r á t o r t kell helyettesíténi szintre billenő monostabil m u l t i v i b r á t o r r a l . Ez például komp a r á t o r és a szokásos élvezérelt monostabil m u l t i v i b r á t o r k a s z k á d kapcsolásával valósítható meg (5. á b r a ) . A kapcsoló tranisztort vezérlő jelet az i n v e r t á l t kimenetről kell levenni.
w
MMV
—
a
'—£
IH 596-RN5I
5. ábra.
Állandó kikapcsolási idejű vezérlés megvalósítása
6. ábra. Kapcsolás és jelalakok az injektált áramok módszeré nek alkalmazásához
323
HÍRADÁSTECHNIKA X X I X . ÉVF. 11. SZ.
eredményeink t e h á t a visszacsatolt hálózatra is a l k a l m a z h a t ó k lesznek. A 6a á b r á n f e l t ü n t e t t ü k a bemeneti és kimeneti szűrőkört, valamint a k o n d e n z á t o r soros veszteségi ellenállását. A kapcsoló tranzisztort és a diódát vezető állapotban U , illetve U feszültségű telep nek, z á r t állapotban s z a k a d á s n a k tekintjük. A z egy szerűség k e d v é é r t a fojtó ohmos ellenállását figyel men kívül hagyjuk. Közelítésünk csak a statikus k a r a k t e r i s z t i k á t módosítja k i s m é r t é k b e n , a dinami kus tulajdonságokat elhanyagolható m ó d o n befolyá solja. E g y é b k é n t a fojtó ellenállását is figyelembe v e v ő statikus k a r a k t e r i s z t i k á k kifejezései [12]-ben megtalálhatók. Állandósult állapotban a bekapcsolás alatt a k ö v e t kező egyenlet é r v é n y e s : s
D
u -u,
(6)
be
A tranzisztor zárása alatt pedig: ki
ki
A (6) és (7) egyenletből az injektált á r a m egy pe riódusra vett átlagértéke kifejezhető:
D
s
Mivel az adott vezérlési m ó d esetén az i n j e k t á l t á r a m , l megváltozása gyakorlatilag azonnal — egy periódus alatt — követi a vezérlés, illetve a be- és kimeneti feszültségek változását, e g y s z e r ű e n elvé gezhető a Laplace-transzformáció: t
h(P)=Ai (p) M
+ Bú (p)
-
be
(17)
Cá (p). ki
I t t meg kell jegyeznünk, hogy a kitöltési t é n y e z ő n keresztül vezérelt végfokozatoknál az A, B és C e g y ü t t h a t ó k a t frekvenciafüggő kifejezések adják meg. 'A függelékben a feszültségcsökkentő analízi sével példát mutatunk be erre az esetre, e g y é b k é n t az irodalmat ajánljuk az érdeklődők figyelmébe [10], [17]. A (16) egyenlet h a t á s v á z l a t á t a 7. á b r á n t ü n t e t t ü k fel. A k i m e n ő feszültség és az injektált á r a m kap csolatát a szűrőkondenzátor és a terhelés e r e d ő i m pedanciája adja meg.
(7)
^m*
(16)
\U +U -U f
ü (P) = ki
(18)
UP) (P)z
H a a kimeneti pontra terhelő á r a m g e n e r á t o r is csatlakozik, a (18) egyenlet a k ö v e t k e z ő lesz: (19)
ü (p)=[h(P)-h(P)]Z<J>). ki
1 , 4
u -u
fi,
be
s
U +U -U ki
D
'
s
(8)
ahol:
A m e g v á l t o z o t t t ö m b v á z l a t a 8. á b r á n i á t h a t ó . A gyakorlatban sokszor szükség van arra, hogy a terhelő ellenálláson fellépő feszültség v á l t a k o z ó k o m p o n e n s é t járulékos szűrő b e i k t a t á s á v a l csök k e n t s ü k (9. ábra).
(9) a fojtó á t l a g á r a m a . A végfokozat statikus k a r a k t e r i s z t i k á j á t az
\
Uki (p) o
Kp)
(10)
egyenletből h a t á r o z h a t j u k meg. H a a terhelés á r a m generátor (I ) és ohmos ellenállás (R ) p á r h u z a m o s eredője, (10) a k ö v e t k e z ő alakot ö l t i : t
'i(p)
o
o
t
Hü A. i — i 1
7. ábra. Általános tömbvázlat
<*- * u +u -u u
u
(ii)
L
ki
D
[H596-RM7I
s
Ez U -re másodfokú egyenlet, amely a szokásos m ó d o n megoldható. A kisjelű, dinamikus k a r a k t e r i s z t i k á k m e g h a t á r o zásához fel kell í r n u n k az injektált á r a m á t l a g á n a k teljes differenciáját. kt
o
8/, A
I
> = ^
A
I
^
A
U
*
W 7
+
A
U
* > -
( 1 2 )
[H596-RN8I
Á t t é r v e a differenciák kisbetűs jelölésére, AI helyett AI -re, és a (8) egyenletből kiszámítva a parciális d e r i v á l t a k a t :
L
8. ábra. A terhelő áram hatását figyelembe vevő tömbvázlat
M
íi=AÍ
+
M
ahol: A =
s
(14)
u -u be D
D
ki
s
U +U -U ' ki
324
(13)
be
U +U -U ' ki
B--
Bü -Cü ,
s
|H596-RN3|
(15) 9. ábra.
Kimeneti szűrő
DR. R E D L R.—NÓVÁK I . : KAPCSOLÓÜZEMŰ FESZÜLTSÉGSTABILIZÁTOROK ÁRAMVEZÉRLÉSE
Ekkor a terhelés feszültségét az ü {p) = F ú (p) t
k
ki
=
(Z^-Z^F'^F,
h(P)
(20)
k
egyenlet adja meg, ahol F , F' a megfelelő feszültség átviteli t é n y e z ő k ; Z , Z' a szűrő bemeneti és k i meneti impedanciái (belevonva a k o n d e n z á t o r és a terhelés impedanciáit). A (20) egyenletnek megfelelő t ö m b v á z l a t o t a 10. á b r á n mutatjuk be. A kapcsolóüzemű stabilizátorok és k ö r n y e z e t ü k elektromágneses kompatibilitása szinte minden eset ben szűrő elhelyezését igényli a tápoldal és az á r a m kör k ö z ö t t a befolyó á r a m váltakozó komponensé nek csökkentésére. Ez a szűrő azonban instabilitást okozhat [18, [19]. A z instabilitás és a bemeneti szűrő egyéb hatásai is jól analizálhatók az injektált á r a m o k módszerével. A z analízishez szükséges jelö léseket a 11. á b r á n t ü n t e t t ü k fel. A bemeneti v á l t a k o z ó feszültséget a következő kifejezés adja meg: k
kb
%lP) =
F '(P)
k
h(p)
kk
Zkb(P)
fk(p)
Visszacsatolás10. ábra.
B
hatása
—* 'ie(P)
Kapcsoló üzemű stabilizdtor
W|0
I H 5 9 6 - R N 111 11. ábra.
(21)
Ft,(p)ű (p)-Zb(P)hi(p)-
A kimeneti szűrő
A bemeneti szűrőből kifolyó á r a m o t (i -t) i t t is h á r o m független változó segítségével (vezérlő á r a m , b e m e n ő és kimenő feszültség) írhatjuk fel. A (13) képlethez hasonló m ó d o n t e h á t : •
Bemeneti
szűrő
bl
ht = * M ~ B*ú A
1
be
\?*(P)\-Af*(P)\ ii(p)
u (p)
(22)
+ C*ű . ki
A (21) és (22) egyenletek a h a t á s v á z l a t o t a 12. á b r a szerint bővítik. Az á b r á n a kimeneti szűrő és a terhelő á r a m g e n e r á tor h a t á s á t is f e l t ü n t e t t ü k , így ez t e k i n t h e t ő az á r a m vezérelt kapcsolóüzemű végfokozatok általános t ö m b v á z l a t á n a k . J ó l megfigyelhető, ahogyan a bemene ten elhelyezett szűrő elősegíti az á r a m k ö r instabili t á s á t . A Z és a B* blokkokon és a k é t különbség k é p z ő n záruló hurok ugyanis pozitív visszacsatolású. Kevésbé szembetűnő a másik pozitív visszacsatolás, amelyet a kimenő feszültséget stabilizáló negatív visszacsatolás hozhat létre a bemeneti szűrő segít ségével (13. á b r a ) . I t t a frekvenciafüggetlennek te k i n t e t t G transzfer vezetéssel jellemezhető hálózaton visszavezetett k i m e n ő jel okozhat az A*, Z , B, Z blokkokból álló hurkon keresztülhaladva n e m k í v á natos instabilitást. A t ö m b v á z l a t A, B, G és A*, B*, C* p a r a m é t e r e i t a h á r o m alapkapcsolásra (feszültségcsökkentő, fe szültségnövelő és polaritásváltó) az 1—4. t á b l á z a t o k t a r t a l m a z z á k . A paramétereltet m i n d k é t vezérlési m ó d r a (hiszterézises és állandó kikapcsolási idejű
f
Visszacsatolás |H E96-RN121
12. ábra.
b
b
K i b ő v í t e t t általános
tömbvázlat
Kapcsoló üzemű végfokozat
tref o
kb
"ki
—o
Visszacsa toló háló zat (6) 13. ábra.
|H596-RM13|
A visszacsatolt á r a m v e z é r e l t s t a b i l i z á t o r lata
tömbváz
1.
láblázat
A z á l t a l á n o s tönilivázlat e g y ü t t h a t ó i á l l a n d ó hiszterézisű vezérlésre A
B
C
0
0
Feszültségcsökkentő
1 t/be-
Feszültségnövelő
U,
t/ki+ U -
U
D
Polaritásváltó
UM+
S
t/be- U b e
- Uw+ U D
UD-
IL(UU-
s
U
IL(U*»-
II
US
(U -U +U -Us)* be
ki
D
US
UD)
U.)
(C/ki+
UD-U.)
2
lL(U be
(t/be- U + M
U.) UD-
U»)
a
325
HÍRADÁSTECHNIKA X X I X . ÉVF. 11. SZ. 2. Az általános
t ö m h v á z l a t e g y ü t t h a t ó i á l l a n d ó k i k a p c s o l á s ! idejű B
A
c
Feszültségcsökkentő
Ube-
Feszültségnövelő
UM+
IM-
U,
U
D
-
D
L
M
^ ; ^
+
U
S
U
K
U,-2Ube)
[
L
M
+
UD-U
U
D
)
]
(
f
^
(
ü
b
e
~
U
E
]
)
( í / k i + UD-
e
~
I
-
D
Uw+
[
t/ki+ U
2L
(t7ki+ U
S
S
Ube-
'^-
U
-
UbB~U
Polaritásváltó
2ki
0
1
táblázat
vezérlésre
7
w
_
U
D
(
ü
b
e
>
)
U y* s
( f / b e - í / k i + UD-
t/«)
3. á l l a n d ó hiszterézisű
2
táblázat
vezérlésnél
B*
A*
U
)
(Ube-Un+Uo-U,)*
A bemeneti s z ű r ő h a t á s á t figyelembe v e v ő e g y ü t t h a t ó k
~
C* t
Feszültségcsökkentő
U+
UD
ki
Ube+
IL(UM+U ) D
(Ube+
U -U D
S
UD-U.y*
D
Ube-
0
IL(UD-
U - t/ki
Polaritás váltó
I/ki+ U -
U
( U b e - Uki+
U,
D
UD-US
b
0
1
Feszültségnövelő
Ue +
W
UD~
Í L ( t 7 b e - t/«)
)
(Ube-Uki+Uo-U^
USY
4. A bemeneti szűrő h a t á s á t figyelembe v e v ő e g y ü t t h a t ó k
UD
UM+
U+
UD-U
be
I
M
~ 1 I
6
(
U
(í/
K
b e
I
U Ube-
D
-U
+
U
)
Í J f - ^ - ( P k i + t/fl)
]
(
C
/
K
I
+
U
D
)
Ube+Uo-Ug
U -U,Y D
Tki 2L
2L
k
l
UM + UD-
[ ^T ~ ] ~ ÍM+
• U,
(Vd
(Ube-
Uki) {Ud
Uu+
v á l t o z a t ) megadtuk. A diagramokban szereplő egyéb mennyiségek az esetlegesen alkalmazott bemeneti és kimeneti szűrők jellemzői. Nem részleteztük a sta tikus k a r a k t e r i s z t i k á k a t , mivel ezek [ l l ] - b e n (illetve b ő v e b b e n [12]-ben) m e g t a l á l h a t ó k . H i á n y z i k a meg s z a k í t o t t á r a m ú üzemmód vizsgálata is, ez az eset ugyanis lényegében nem különbözik a kitöltési t é nyező vezérléstől (1. [10]). Az általános h a t á s v á z l a t és a t á b l á z a t o k b a n fel t ü n t e t e t t adatok segítségével a n y í l t h u r k ú szabályo zási p a r a m é t e r e k viszonylag k ö n n y e n m e g h a t á r o z h a t ó k . Ugyancsak egyszerűen analizálható a vissza
326
D
+
1
Feszültségnövelő
Polaritásváltó
[
táblázat
vezérlésnél C*
B*
A* Feszültség csökkentő
á l l a n d ó k i k a p c s o l á s ! idejű
Um)
Í M ( U I » - U í ) + - | j r - ( U D - Un)(2t7b - ü k i + Ü D - 2 U )
UD-EM
B
2
(Ube-Usi+Uc-£/«)
S
2
csatolás h a t á s a . Ezzel és a gyakorlatban felmerülő egyéb p r o b l é m á k k a l a következő pontokban fog lalkozunk. 3. A visszacsatolás hatása Az áramvezérlés jellegéből k ö v e t k e z ő e n e végfoko zatokkal visszacsatolás nélkül — a k i t ö l t é s i t é n y e zővel vezérelt v á l t o z a t t a l ellentétben — nem való s í t h a t ó meg kis belső ellenállású egyenfeszültségforrás. A feszültségcsökkentő a l a p k a p c s o l á s nyílt hu-
DR. R E D L R.—NÓVÁK I . : KAPCSOLÓÜZEMŰ FESZÜLTSÉGSTABILIZÁTOROK ÁRAMVEZÉRLÉSE
d)
A nagy egyenfeszültségű hurokerősítés k ö v e t k e z tében a statikus szabályozási p a r a m é t e r e k olyan nagy m é r t é k b e n j a v í t h a t ó k , hogy az ideálistól való eltérésüket gyakorlatilag nem kell figyelembe venni. Ebben az esetben a kitöltési tényező, valamint az i n d u k t í v elem áram-idő függvényének jellegzetes értékei k ö n n y e n m e g h a t á r o z h a t ó k (17. á b r a ) . A k i meneti feszültség váltakozó összetevőit i t t is el hanyagoljuk. A feszültségcsökkentő kapcsolásnál az i n d u k t i v i t á s á t l a g á r a m a a terhelő e g y e n á r a m m a l egyenlő.
Feszültségcsökkentő
'\^fes7Ültségnövelő
bj
Feszültségnöve/ó, polaritósváltá
oU
1H 596-RN14]
ref
14. ábra. Az áramvezérelt kapcsolóüzemű stabilizátorok nyílt hurkú kimeneti karakterisztikája (szaggatott vonallal berajzolva a kitöltési tényező vezérlésű áramkörökre vonat kozó karakterisztikák)
rokban és kis frekvencián igen jól közelíti az ideális á r a m g e n e r á t o r t , a feszültségnövelő és a polaritás v á l t ó kimenő karakterisztikája pedig hiperbolával í r h a t ó le (14. á b r a ) . A feszültségstabilizálás mechanizmusa a 15. á b r a egyszerűsített modelljén kísérhető végig. A k ü l ö n b ségképző u t á n kapcsolt hibajelerősítőt egyenfeszült ségű erősítésével jellemezzük, az áramvezérelt kap csolóüzemű teljesítményátalakító végfokozatot egy feszültségvezérelt, véges kimeneti ellenállású á r a m generátorral írjuk le, amelynek transzfer meredek sége 9
m
=
H 596-RN 15|
lő. ábra. A visszacsatolt áramvezérelt feszültségstabilizátorok statikus kimeneti karakterisztikájának számításához
IH 596-RN 161 16. ábra. A kimeneti szűrőkondenzátor és a terhelés helyette sítő képe
ü '
A kimeneti feszültség v á l t a k o z ó k o m p o n e n s é t el hanyagoltuk. A szabályozó k ö r r e egyszerűen fel í r h a t ó hurokegyenletből k a p j u k : (23) L á t h a t ó , hogy a statikus kimeneti ellenállást a körben levő feszültségerősítés és a feszültséggel vezérelt á r a m g e n e r á t o r meredeksége szabja meg. A hurokerősítésre felső k o r l á t o t az á r a m k ö r stabi litásvizsgálata alapján adhatunk. A (13), (14), (15), (16) összefüggésekből látszik, hogy a kimeneti körbe befolyó á r a m az átlagolt modell érvényességi t a r t o m á n y á n belül frekvencia függetlenül k ö v e t i a bemeneti v á l t o z ó k a t . Mivel a szokásos kimeneti k ö r — a szűrőkondenzátor és terhelés — a 16. á b r a modelljével jól leírható, a nyílt h u r k ú hálózat kisjelű dinamikus átviteli függ vényeinek legfeljebb egy pólusuk van. E b b ő l követ kezően a hurokerősítő egyenfeszültségű erősítése tetszőlegesen nagy lehet.
o
a,
Feszültségcsökkentő
ii
Iu
i
—f
Vezérlő kor
b,
Feszültségnövelő
17. ábra. A visszacsatolt stabilizátorok statikus paraméterei nek meghatározásához
327
HÍRADÁSTECHNIKA X X I X . ÉVF. 11. SZ.
H a a kikapcsolási idő alatt az á r a m változási me redeksége m
akkor I -re h a t ó fel: M
= ~ - W '
és / - r e a k ö v e t k e z ő összefüggés ír ' " I = l ~mT . (24) m
m
M
ki
H a a vezérlés nem állandó kikapcsolási hanem állandó hiszterézisű, akkor I az I terézisárammal kifejezve: m
H
idejű, hisz-
i„r=I -I„. átlagárama,
l L = h
i
= ^
J
!
illetve í
a
terhelő
-
(26)
A feszültségnövelő és a polaritásváltó alapkap csolásban a terhelés felé csak a kikapcsolt állapot alatt folyik á r a m , e z é r t : I
k i
M
(25)
M
Az i n d u k t i v i t á s egyenáram:
Az induktivitás e g y e n á r a m á t (i^-et), m a x i m á l i s á r a m á t (7 -et), és a kitöltési tényezőt ( K - t ) a h á r o m alapkapcsolásra a körben fellépő feszültségekkel és a terhelő á r a m m a l kifejezve az 5. és 6. t á b l á z a t b a n g y ű j t ö t t ü k össze. A hibajelerősítő maximális váltakozó feszültségű erősítésére az átlagolt kisfrekvenciás modellből nem lehet k ö v e t k e z t e t n i . Az átviteli függvények a l a p j á n tetszőlegesen nagy erősítést m e g e n g e d h e t ü n k . A va lóságban t ö b b tényező is korlátozza a b e é p í t h e t ő erősítést, ezeket a következő pontban t e k i n t j ü k á t .
= I K'.
(27)
L
Az / , és I közötti összefüggést bármely alap kapcsolásra a következő összefüggés adja meg: állandó hiszterézisre: M
Im=Il+^t>
(28)
állandó kikapcsolási időre: *M = h + Y
u-
(29)
T
4. A megengedhető váltakozó feszültségű hurokerősítés meghatározása A maximális váltakozó feszültségű erősítés meg határozásához egy eddig elhanyagolt t é n y e z ő t , a k i meneten fellépő váltakozó feszültségű összetevőt kell figyelembe v e n n ü n k . A hibajelerősítőn á t h a l a d v a a felerősített kimeneti váltakozó feszültség az á r a m érzékelési szintet megváltoztatja, és ez á l l a n d ó hiszterézisű vezérlésnél az üzemi frekvencia m e g v á l t o zását, állandó kikapcsolási idejű vezérlésnél alharmonikus gerjedést okozhat. Az állandó hiszterézisű vezérlés frekvenciacsúszá s á n a k o k á t a 18. á b r á n követhetjük végig. A vizsgált modelleket a 4. ábra mutatja. A nagy egyenfeszültségű hurokerősítés m i a t t a k i meneti feszültséget és a terhelő á r a m o t v á l t o z a t l a n nak tételezhetjük fel. A 18. ábra első d i a g r a m j á n l á t h a t ó , hogy a feszültségcsökkentő elrendezésben az i n d u k t i v i t á s á r a m a a terhelő á r a m k ö r ü l szim metrikusan I és I k ö z ö t t változik. A második M
M
5.
táblázat
K i t ö l t é s i t é n y e z ő , az i n d u k t i v i t á s á t l a g - és c s ú c s á r a m a á l l a n d ó hiszterézisű v e z é r l é s n é l K
Feszültségcsökkentő
U
U+
U
kl
Feszültségnövelő
Polaritásváltó
r Jk,+
D
Iki
UM+UD-U,
t/ki + UD-
Zki(C/ki+ U
t/be'
C/ki+ UD-
- U„)
D
M
U-
kl
U„
D
IH
t/be-
/ki(t/be- t / + U -
UD-UU
t/be- U +
D
-
S
B
S
a
IM(UM+UD-U )
t/be- U
U
I
Iki(Ube-
U) s
U,
UD- U )
U+ be
s
6.
IM
Tki Ikl+—(U +UD)
IM
Feszültségnövelő
Polaritás váltó
kl
i k i ( t / + UD-
t/ )
k l
t/be-
, Tki
s
t/be-t/.
U
s
í w ( t / b e - Ukl+ UDt/be- U
s
328
/ k i ( t / k i + UD-U )
s
U,)
+
í k i ( t / b e - Uki+ UDt/be-
U
s
2 L US)
,„ i
, „ Ü
M
Tki 2£
+
U
/ r r
H
2
S
A z i n d u k t i v i t á s á t l a g - és c s ú c s á r a m a á l l a n d ó k i k a p c s o l á s ! idejű v e z é r l é s n é l
Feszültségcsökkentő
I
s
ki
U -.U
t/be- U
2
+
T T
,
D
T r
.
táblázat
DB. REDI, R.—NÓVÁK I.: KAPCSOLÓÜZEMŰ FESZÜLTSÉGSTABILIZÁTOROK ÁRAMVEZÉRLÉSE
-az i n d u k t i v i t á s á r a m á b a n jelentkező h a t á s o s hiszterézis kisebb, mint amit az áramérzékelő á r a m k ö r m e g h a t á r o z . A csökkenés oka a visszacsatoló h u r o k ban levő váltakozófeszültség-tartalom. Mivel a m ű ködési frekvencia a hiszterézis á r a m n a g y s á g á v a l fordítva a r á n y o s , ezért a tényleges m ű k ö d é s i frek vencia megnő. Hasonló gondolatmenettel b e l á t h a t ó , hogy a visszacsatolt feszültségnövelő és p o l a r i t á s váltó alapkapcsolások esetén szintén várhatjuk a működési frekvencia megváltozását. A frekvenciacsúszás kifejezése a v á l t a k o z ó fe szültségű hurokerősítés (helyesebben v á l t a k o z ó á r a m ú meredekség) függvényében a 7. t á b l á z a t b a n t a 31
lálható. A kifejezésekben:
\g '
Az össze
m
függések levezetését a 2. függelékben közöltük. É r d e m e s megfigyelni, hogy a meredekség n ö v e l é sével a feszültségcsökkentő kapcsolásban a frekven cia növekszik ( i t t a növekedés független a k i m e n e t i kapacitástól, a terhelő á r a m t ó l és a b e m e n ő feszült ségtől), a feszültségnövelő és polaritásváltó elren dezésben pedig csökken. 18. ábra. A feszültségcsökkentő, állandó hiszterézisű alap kapcsolás jelformái a frekvenciacsúszás számításához
A működési frekvencia tervezetthez képesti meg változása t ö b b problémát vethet fel: ilyen a meg n ö v e k e d e t t kimeneti váltakozófeszültség-tartalom vagy a megnövekedett dinamikus veszteségek, az i n d u k t í v elem telítése, elektromágneses k o m p a t i b i l i tási kérdések stb. A frekvenciacsúszás kifejezésének ismeretében az á r a m k ö r a megfelelő üzemi frekven ciára méretezhető. A v á l t a k o z ó feszültségű erősítést ez esetben csak a hibajelerősítő k i m e n e t é n e k telítése korlátozza. A telítés a vezérlő egyenfeszültségre szuperponált felerősített kimeneti v á l t a k o z ó fe szültség m i a t t következik be.
és harmadik diagramon a 16. á b r á n f e l t ü n t e t e t t R és C elemekkel figyelembe vett kimeneti szűrő k o n d e n z á t o r h a t á s á r a kialakult kimeneti v á l t a k o z ó feszültségtartalom és a különbségképző és hibajel erősítő u t á n i u vezérlő feszültség l á t h a t ó . A legalsó időfüggvény az i n d u k t i v i t á s á r a m á t figyelő á r a m k ö r bemenetére r e d u k á l t áramérzékelési szintet mutatja. Ez a szint a kimeneti váltakozó feszültség m i a t t Az állandó kikapcsolási idejű vezérlésben a h u r o k időben változik. A jelben levő ugrások a hiszterézist erősítés növelése alharmonikus gerjedéshez vezet. képviselik. Szaggatott vonallal berajzoltuk a meg felelő fázisú érzékelt jelet (az i n d u k t i v i t á s á r a m á t ) is. A teljesítmény átalakító kapcsoló t r a n z i s z t o r á t a vezérlő á r a m k ö r a k é t időfüggvény metszési pont jainak megfelelő időpillanatokban kapcsolja k i , i l letve be. c
v
az
Az egymásba rajzolt jelalakokból l á t h a t ó , hogy á r a m k ö r stacionárius működése alatt fellépő, 7.
táblázat
A z állaniló hlszterézisű áramvezérelt feszültségstabilizátorok ü z e m i frekvenciája ii v á l t a k o z ó á r a m ú m e r e d e k s é g f ü g g v é n y é b e n
Feszültség csökkentő
/ = /o(l+|fir»|fí ) c
XRo
Feszültség növelő
t = hl+\gm\
Polaritásváltó
-
f = fo \9m\
l 3 m l
-1
LIu
Jklfle(E/kl+ Up-
U.)
fc+CiUT.-üJ
• Jkii?c(Ube- U*i + U D
Iff(£/be- U) s
U,)
'
|
[H 596-RNi9)
19. ábra. A feszültségcsökkentő, állandó kikapcsolási idejű alapkapcsolás jelformái az alharmonikus gerjedés számításához
329
HÍRADÁSTECHNIKA X X I X . ÉVF. 11. SZ. 8.
táblázat
A z á l l a n d ó k i k a p c s o l á s ! idejű feszültségstabilizátor a l a p k a p c s o l á s o k b a n megengedheti) m a x i m á l i s v á l t a k o z ó á r a m ú m e r e d e k s é g e
\9m\
Feszültségcsökkentő
Feszültségnövelő
— Re 2C~
\9m\-
„ T LI Rc+ + 2C Ur, k i
e
Polarltásváltó
\9m\
A jelenséget szintén a feszültségcsökkentő kapcso lásra szemléltetjük. A gerjedést b e m u t a t ó jelalakok a 19. ábrán l á t h a t ó k . Az á b r á n feltételeztük, hogy az á r a m k ö r m á r sta cionáriusán az alharmonikus gerjedés á l l a p o t á b a n van. Ilyenkor a teljes kikapcsolási idő a stabil m ű ködésbelinek^kétszerese, és ennek megfelelően az ez idő alatt b e k ö v e t k e z e t t á r a m v á l t o z á s is megduplá zódik. A számoláshoz feltételezzük, hogy á r a m k ö r ü n k a m e g n ö v e k e d e t t kikapcsolási idő ellenére sem megy á t m e g s z a k í t o t t á r a m ú ü z e m m ó d b a . Az ábra második sorában az egymás u t á n kétszer elinduló monostabil m u l t i v i b r á t o r időzítő jelalakjai l á t h a t ó k . A harmadik és negyedik sör kimeneti és vezérlő feszültség jelalakjai hasonlóak a gerjedésmentes állapot jelalakjaihoz. A gerjedés fizikai o k á t a pillanatnyi á r a m k o m p a r á l á s i szint és az i n d u k t i vitás szaggatott vonallal belerajzolt áram-idő függ vénye mutatja. A kikapcsolási idő elején a komparálási szint egy ideig még t o v á b b csökken, a k i m e n ő feszültség növekedésének megfelelően. H a a mono stabil m u l t i v i b r á t o r időzítési idejének végén a k o m parálási szint még kisebb, m i n t az i n d u k t í v elem á r a m a , akkor a monostabil m u l t i v i b r á t o r újra k i kapcsol, és a kapcsolótranzisztor t o v á b b r a is z á r v a marad. A gerjedés h a t á r h e l y z e t é b e n a k é t á r a m azo nos, a kritikus hurokerősítés, illetve meredekség ebből a feltételből h a t á r o z h a t ó meg. Hasonló m ó d o n szemléltethető, illetve számolható a többi alapkapcsolás. stabilitási feltétele is. A gerjedés határhelyzetéhez t a r t o z ó v á l t a k o z ó á r a m ú meredekség értéke a 8. t á b l á z a t b a n t a l á l h a t ó , a levezetést a 3 . függelékben adtuk meg. Észrevehetjük, hogy a feszültségcsökkentő alap kapcsolásban ez a kifejezés is független a terhelő á r a m t ó l , illetve a feszültségektől. A nevezőben k é t pozitív szám különbsége áll, ha ez zérus vagy nega t í v , akkor az előbb vázolt mechanizmusú gerjedés tetszőleges nagy v á l t a k o z ó feszültségű erősítésnél sem lép fel, az erősítést csak a hibajelerősítő kimene t é n megjelenő váltakozófeszültség-tartalom m i a t t bekövetkező telítés korlátozza. A feszültségnövelő és polaritásváltó alapkapcsolásokra levezetett k i fejezésben szerepel a terhelő á r a m , az i n d u k t i v i t á s és a bemenő feszültség is. I t t a nevező mindig po zitív.
330
r Rc(U +U -U ) — L T (U + U-
kl
ki
U
s
kl
T
i(-/ki)
2C
<7 - U L
ki
b e
s
ki
rRcjUbes
D
D
U+
- + U* ) e
U D - U)
kl
Í]
s
Tm(-U i+U ) k
1
D
+
c \
5. Gyakorlati problémák 5.1. A hibajeleró'sítő
kialakítása
A hibajelerősítő feladata az előző pontban meg h a t á r o z o t t egyenfeszültségű és váltakozó feszültségű erősítés biztosítása. Az egyenfeszültségű erősítésnek célszerűen minél nagyobbnak kell lennie, érdemes t e h á t nagy egyenfeszültség-erősítésű m ű v e l e t i erő sítőt alkalmazni. A gerjedésmentesség feltételéből m e g h a t á r o z o t t váltakozó feszültségű erősítést meg felelő visszacsatoló áramkörrel v a l ó s í t h a t j u k meg. Az állandó váltakozó feszültségű erősítéshez t a r t o z ó f r e k v e n c i a t a r t o m á n y t a következő feltételekből ha t á r o z h a t j u k meg. A frekvencia csúszás és az alharmo nikus gerjedés számításakor feltételeztük, hogy a k i meneti váltakozó feszültséget a hiba jelerősítő alakhűen, elhanyagolható fázishibával erősíti. Az alsó frekvenciahatárt így célszerűen a legkisebb működési frekvenciánál kisebbre, a felső f r e k v e n c i a h a t á r t pedig a legnagyobb működési frekvencia 4—5-szörösénél nagyobbra választhatjuk.
(H596-RM 20\ 20. ábra.
Javasolt hibajelerösítő kapcsolás
|H596-RN2f| 21.
ábra.
A
javasolt
amplitúdó-frekvenciamenet diagramja
Bode-
DR. R E D L n.—NOVAK I . : KAPCSOLÓÜZEMŰ FESZÜLTSÉGSTABILIZÁTOROK ÁRAMVEZÉRLÉSE
Az a j á n l o t t kapcsolási elrendezés a 20. á b r á n , a hozzá t a r t o z ó amplitúdó-frekvenciamenet a 2 1 . á b r á n t a l á l h a t ó . Szükség esetén kisebb nagyfrekvenciás sávszélességű hibajelerősítő is a l k a l m a z h a t ó , de ez esetben az i t t megadott frekvenciacsúszási és stabi litási feltételek nem érvényesek, és a dinamikus tu lajdonságok is romlanak. 5.2. Az áramérzékeJés
kialakítása
Az áramérzékelő á r a m k ö r feladata, hogy m e g h a t á rozott áramszintnél (szinteknél) a kapcsoló tranzisz t o r t be-, illetve kikapcsolja. Mivel az i n d u k t i v i t á s á r a m á t kell érzékelnünk, helyezzünk el véle sorban egy kis értékű figyelő ellenállást. Célszerű elkerülni az ellenálláson a változó közös módusú feszültség fellépését, ezért az ellenállást a tápfeszültség, illetve a közös vezeték és az i n d u k t i v i t á s közé kössük. Ez azonban csak a feszültségnövelő és a polaritásváltó kapcsolásban t e h e t ő meg. A feszültségcsökkentőnél abban az esetben, ha a vezérlést t ú l á r a m v é d e l e m r e is felhasználjuk, külön tápfeszültség szükséges a fojtó és a kimeneti szűrőkondenzátor k ö z t elhelyezett érzékelő á r a m k ö r h ö z . A diszkrét elemes felépítésben a leggyakrabban egy tranzisztor bázis-emitter diódája a k o m p a r á l ó eszköz. Ennek hőmérsékletfüggése és maga az érzé kelési szint is viszonylag nagy. Ez a p r o b l é m a meg kerülhető a 22. á b r á n f e l t ü n t e t e t t kapcsolással. A T és T tranzisztorok bázis-emitter nyitófeszült ségének hőmérsékletfüggése közelítően kompenzálja egymást. T kollektoráról vezethetjük el a jelet, amely nul lából pozitívba megy, ha a feszültségesés az R ellen álláson kisebb lesz, m i n t az R ellenálláson. Az érzé kelési á r a m s z i n t R , R és I ismeretében k ö n n y e n m e g h a t á r o z h a t ó . A hőmérsékleti h a t á s o k csökkentése érdekében célszerű T és T helyett egy integrált t r a n z i s z t o r p á r t használni, illetve a billenéshez tar tozó érzékelési feszültségszintet az előforduló ofszet feszültségnél sokkal nagyobbra választani. Az á r a m k o m p a r á t o r és az általa vezérelt kapcsoló tranzisztor egy visszacsatolt k ö r t képez. E hurok s t a b i l i t á s á n a k elkerülésére az áramérzékelő k ö r kés leltetését, illetve fázistolását kell csökkenteni. A min dig jelenlevő eszköz- és szórt kapacitások m i a t t ez f? csökkentését jelenti. Az állandó kikapcsolási idejű v á l t o z a t b a n az érzé kelő ellenállás a kapcsolóval sorban is elhelyezhető. Ez különösen előnyös a feszültségcsökkentő kapcso lásban, valamint a transzformátoros á r a m k ö r ö k b e n . I t t azonban számolni kell a bekapcsolás pillanatáx
2
2
e
1
e
t
x
0
ábra.
Az érzékelő
ellenállás
induktivitásának
hatása
ban fellépő, a diódában t á r o l t töltés k i ü r í t é s é b ő l származó áramcsúcs hibás m ű k ö d é s t okozó h a t á s á val. A h a t á s fokozottan jelentkezik, ha az érzékelő ellenállás i n d u k t í v komponense is s z á m o t t e v ő (1. 23. á b r a ) . Megoldás p l . , ha megfelelő időállandójú integ ráló RC k ö r t helyezünk az érzékelő tranzisztor és a figyelő ellenállás közé. Mivel a r ö v i d z á r á s i á r a m értéke az időállandóval rohamosan v á l t o z i k [12], a legkisebb m é g hatásos időállandót é p í t s ü k be.
2
3
|H 596-RN 22| 22. ábra.
23.
A z álamérzékelő kapcsolás
fi. Következtetések Az előzőekben m e g i s m e r k e d t ü n k az á r a m v e z é r léssel, amelynek lényege az, hogy a k a p c s o l ó ü z e m ű feszültségstabilizátor kimeneti feszültségének sza bályozása az i n d u k t í v elem á r a m á n a k érzékelésével és — a kapcsoló tranzisztor ki-be k a p c s o l á s á n ke resztül — közvetlen vezérléssel t ö r t é n i k . A m ó d s z e r a statikus és a dinamikus szabályozási p a r a m é t e r e k j a v í t á s á t e g y a r á n t lehetővé teszi. A szokásos k i t ö l tési tényező vezérléshez viszonyítva az á r a m v e z é r l é s eggyel csökkenti az átviteli függények f o k s z á m á t , ami m e g n ö v e k e d e t t fázistartalékot és ennek meg felelően nagyobb hurokstabilitást, valamint kisebb tranziens időt eredményez. Megfelelően m e g v á l a s z t o t t vezérlési szint esetén a stabilizátor j á r u l é k o s á r a m k ö r ö k nélkül, automatikusan t ú l á r a m v é d e t t é válik. Az áramvezérlés matematikai leírása az i n j e k t á l t á r a m o k módszerével igen egyszerűen elvégezhető. A bemeneti és kimeneti szűrőknek az á t v i t e l r e gya korolt h a t á s a is jól analizálható a fenti eljárással. Az egyenletek szemléltetésére, a körben k i a l a k u l ó belső hurkok felfedésére a h a t á s v á z l a t - d i a g r a m o t célszerű alkalmazni. A visszacsatolt stabilizátor e g y e n á r a m ú hurokerősítése tetszőlegesen nagy lehet. A v á l t a k o z ó fe-
331
HÍRADÁSTECHNIKA X X I X . É V F . 11. s z .
szültségű hurokerősítés növelése a hiszterézises váltor zatban frekvenciacsúszást, az állandó kikapcsolási idejű v á l t o z a t b a n alharmonikus gerjedést okoz. A cikkben közölt összefüggésekkel m i n d k é t esetre m e g h a t á r o z h a t ó a hurokerősítés megengedett maxi muma. Az állandó hiszterézisű vezérlésnél a gyakorlatban a hurokerősítést instabilitás nem korlátozza. H a sonlóan nagy v á l t a k o z ó á r a m ú hurokerősítés enged h e t ő meg az állandó kikapcsolási idejű vezérlésnél a feszültségcsökkentő alapkapcsolásra, a cikkben megadott feltételek esetén.
[18] N. 0. Sokai: System Oscillations Caused b y N e g a t í v e Input Resistance at the Power Input Port o í a Switching Mode Regulator, Amplifier, D C / D C Converter, or D C / A C Inverter. I E E E Power Electronics Specialists Gonference Record, 1973. 138—140. old. [19] R. D. Middlebrook: Input F i l t e r Considerations in Design and Application o í Switching Regulators. P r o c . o í I E E E Industry Applications Society A n n u a l Meeting, 1976.
I R O D A L O M
A végfokozat i n d u k t i v i t á s á n a k á r a m á r a a k ö v e t kező egyenletek írhatók fel (elhanyagolva a vesz teségeket) :
[1] Dr. Redl R.—Nóvák I.: K a p c s o l ó ü z e m ű s t a b i l i z á t o r o k analízise á l l a p o t e g y e n l e t e i k á t l a g o l á s á v a l . H í r a d á s t e c h nika, 1978. 2. 5 3 ^ 6 0 . old.
1. Függelék Kitöltési tényező vezérlésű feszültségcsökkentő stabili zátor analízise az injektált áramok módszerével
u ~u be
[2] Bölcskei A.: Diplomaterv. B M E M i k r o h u l l á m ú H í r a d á s Technikai T a n s z é k , 1976. [3] F. jfT. Judd—Chi-Tsong Chen: Analysis and O p t i m á l Design o í S e l í - O s c i l l a t i n g D G - t o - D G Converters. I E E E T r . G T 1971. nov. 651—658. old. [4] Y . Yu és mások: T h e Application o í Standardized Control and Interface Circuits to Three D G - t o - D C Power Converters. I E E E Power Electronics Specialists Gonference Record, 1973. 237—248. old. [5] A. Capel—J.G. Ferrante—R. Prajoux: Stability Analysis of a P . W . M . Controlled D G / D G Regulator w i t h D G and A G Feedback Loops. I E E E P ó w e r Electronics Specialists Coníerénce Record, 1974. 246—254. old. , [6] A. Capel—J. G. Ferrante—R. Prajoux: State Variable ' Stability Analysis of Multi-Loop P W M Controlled D G / D G Regulators in L i g h t a n d H e a v y Mode. I E E E Power Electronics Specialists Gonference Record, 1975. 91— 103. old. [7] F. C. Lee—Y. Yu: Modeling of Switching Regulator Power Stages W i t h and Without Zero-Inductor-Gurrent D w e l l T i m e . I - E E E Power Electronics Specialists Con í e r é n c e Record, 1976. 62—73. old. [8] W. W. Burns és mások: Synthesis and Implementation of a State-Trajectory Control L a w for D C - t o - D C Gonverters. Proc. of the Thü*d E S T E C Spacecraft Power Gonditioning Seminar, 1977. 281—296. old. [9] A. Weinberg—D. M. O'Sullivan: L C : Application to Voltage Regulation. Proc. of the T h i r d E S T E C Space craft Power Conditioning Seminar, 1977. 165—174. old. [10] A. J. Fossard—M. Clique: Modelling and Design of D C - D C Converters U s i n g Modern Control Theory. Proc. of the T h i r d E S T E C Spacecraft Power Conditioning Seminar, 1977. 297—312. old. [11] Dr. Redl R.: Kapcsolóüzemű feszültségstabilizátorok t ú l t e r h e l é s elleni v é d e l m e . H í r a d á s t e c h n i k a . 1976. m á j u s , 135—139. old. [12] R. Redl: Comparative Analysis of Overload Protection Methods for Switching Mode Voltage Regulators. Proc. of the T h i r d E S T E C Spacecraft Power Conditioning Seminar, 1977. 155—164. old. [13] Redl R.: Tranzisztoros k a p c s o l ó ü z e m ű f e s z ü l t s é g s t a b i l i zator a l a p t í p u s o k v i z s g á l a t a . H í r a d á s t e c h n i k a , 1973. j ú nius, 173—177. old.
ahol l és I a bekapcsolt állapotbeli á r a m szélső értékei, valamint m
332
M
r
T
L~
— k i
T
i ^be rp
~
~L~
^ í - T,
"
be
(F2)
ahol I' a fojtó á r a m a a kikapcsolás p i l l a n a t á b a n . Az ( F I ) és (F2) kifejezések segítségével az egy periódusra átlagolt injektált á r a m : m
-^m + ^ M
^be
ki
+
T
= T , ^be T (T + T ) " "2L T bt
m
U - f T. 2L '
ki
(F3)
ki
l
Állandó működési frekvencia esetén az i n j e k t á l t á r a m megváltozását megadó teljes differencia: 8/, 8T
9 V ,i + , 3Ai =—''< 8 / 8í7, be m +
;
b e
m
3
[14] A. Cüpel: New Control Techhique in D C / D C Regulators for Space Applications. I E E E T r . A E S . 1970. No. 4. 472—480. old. [15] H. A. Owen—A. Capel—J. G. Ferrante: Simulation and Analysis Methods for Sampled Power Electronic Sys tems. I E E E Power Electronics Specialists C o n í e r é n c e Record, 1976. 45—55. old. [16] JR. Prajoux—J. C. Marpinard—J. Jalade: É t a b l i s s e m e n t des modeles mathematiques pour regulateurs de puissance a modulation de largeür d'impulsion (pwm). 2. Modeles , c ó n t i n u s . E S A Scientific and Technical R e v i e w . 1976. No. 2. 115—129. old. [17] M. Clique—A. J. Fossard: A General M o d e í í o r Switching Converters. I E E E T r . A E S . , 1 9 7 7 . j ú l i u s , 397—400. old.
(FI)
k
^
(F4)
(ekkor ugyanis í = - í ) . Az á r a m m i n i m u m deriváltját az egy periódusra vett differenciahányadossal közelíthetjük: k i
b e
i'-r
Ai
m
Ue b
^be
(F5)
At
Az á r a m m i n i m u m Laplace-transzformáltja (F5) alap ján: IÁPY-
^be^be
pLT
(F6)
pL
Az á r a m m i n i m u m megváltozásának Laplace-transz formáltja pedig: t (P) = pLT M
^r '' b e - T TpLT De
ki " b e - ^
H e l y e t t e s í t s ü k be (F4)-be (F7)-et, az íiCP)=MP)HP) + B(p)ü {p) be
(F7) eredmény:
- C(p)ü (p), kl
(F8)
ahol:
A( )=^p-+F^ '
K T
P
(F9)
DR. R E D L . R.—NÓVÁK I . : KAPCSOLÓÜZEMŰ FESZÜLTSÉGSTABILIZÁTOROK ÁRAMVEZÉRLÉSE
(F15)-be behelyettesítve (F16), (F18), (F19)-et és t = T figyelembevételével: kl
^h+h
(F11)
t o v á b b á k=tJT; K = TJT; K'=TJT. A végfokozat analízise az ( F 8 ) — ( F I I ) egyenletek kel a 7. á b r a t ö m b v á z l a t a alapján elvégezhető. Hasonló m ó d o n a l k a l m a z h a t ó az injektált á r a m o k módszere a többi kapcsolásra is. 2. Függelék Az áramvezérelt, állandó hiszterézisü frekvenciacsúszásának meghatározása
stabilizátorok
A levezetést a feszültségnövelő alapkapcsolásra mutatjuk be. Az i n d u k t í v elem á r a m a a kikapcsolás alatt (a veszteségek elhanyagolásával):
1
H
0áT
A kimeneti k o n d e n z á t o r t a 16. á b r a helyettesítő képével figyelembe véve, a kikapcsolási idő alatt a kimeneti váltakozó feszültségű összetevő kifejezése ( i t t 0 szintnek a kapcsolóeszköz kikapcsolása előtti időpillanathoz t a r t o z ó k i m e n ő feszültség é r t é k é t te kintettük) : kl
+
M
c
c
+
'M
C
t
+
(F15)
2C ' 1
ahol m az i n d u k t i v i t á s á r a m á n a k változási sebessége a kikapcsolt állapot alatt:
u + u -u ki
D
(F16)
be
U
IK ki
_
d
C
,
R
•
(F20)
Az áramérzékelő bemenetére r e d u k á l t áramérzékelési szint megváltozása ó k ö v e t k e z t é b e n : k i
Ai =-Au \g v
ki
(F21)
m
ahol dl, 8í/
(F22) k
A kikapcsolás pillanatában a hiszterézis az á r a m érzékelési szintet csökkenti, így a m e g v á l t o z o t t , h a t á sos hiszterézisre a következő összefüggést í r h a t j u k fel: 'H=
-I
I
+ di =
H
(F23)
-I -Au \g
v
H
ki
n
E b b ő l a működési frekvenciát m e g h a t á r o z ó h a t á s o s hiszterézis kifejezése: r = (F24)-et átrendezve
(F24)
I +Au \g H
ki
m
I' -re: H
\ + \a
ZÜ1 K1 3
4i
I
(F25) 2
+
(U +U -U )CK'\ ki
D
be
A hatásos hiszterézis függvényében az üzemi frek vencia : 1
.(Uto-UMUu-Uto+Uo)
' (u +u -u )r L kl
D
s
(F26)
'
H
(F26)-ba (F25)-öt és (F17)-et b e h e l y e t t e s í t v e : 1
2
/=/o-
1 + lffn.
(U -U )C
+
be
s
(F27)
I R (U +U -U ) ki
c
ki
D
s
ahol
ki»
m =
rv + ^
2
(F13)
t
A bekapcsolási idő alatt a z á r t diódán keresztül az induktivitásból á r a m nem folyik a k o n d e n z á t o r b a , ezért: (F14) ki>
ü (t) = I Rc
,n -T
H
ahol I ' a stacionárius m ű k ö d é s alatt kialakult h a t á sos hiszterézis. A kimeneti szűrőkondenzátorba folyó á r a m a k i meneti csomópontra felírható egyenletből: 'ki»
K
(F12)
ki>
ki
ki
h
(U +U -U )I L ki
D
S
H
•
(F28)
Hasonló triódon s z á r m a z t a t h a t ó a frekvenciacsúszás kifejezése^ a feszültségcsökkentő és p o l a r i t á s v á l t ó alapkapcsolásokra.
A kitöltési t é n y e z ő : 3. Függelék
u +u -u u +u -u '
K =
ki
D
ki
bt
D
(F17)
s
A hatásos hiszterézis kifejezhető az á r a m v á l t o z á s i sebességgel és a kikapcsolási idővel: (F18) r = \m\T A kikapcsolás kezdetekor az i n d u k t i v i t á s I áramát a kifolyó terhelő á r a m b ó l és a hatásos hiszterézisből számolhatjuk: H
kl
M
I
M
=^, +
f.
I
(F19)
Az állandó kikapcsolási idejű áramvezérelt kapcsoló üzemű feszültségstabilizátor alharmonikus gerjedésének vizsgálata A levezetést i t t is a feszültségnövelő kapcsolásra adjuk meg. Feltételezzük, hogy a stabilizátor stacio n á r i u s á n az alharmonikus gerjedés á l l a p o t á b a n van, és az i n d u k t í v elem á r a m a nem csökken zérusig. A 2. függelékben m e g h a t á r o z t u k a kimeneti v á l t a kozó feszültség időfüggvényét a kikapcsolási idő tar t a m á r a ( F I 5 ) . Az áramérzékelő b e m e n e t é r e r e d u k á l t
333
HÍRADÁSTECHNIKA X X I X . ÉVF. 11. SZ.
áramérzékelési szint időbeli megváltozása (F15) és (F16) a l a p j á n : m í ~ 2 c * |- < > 2
F29
v
M
i (T ) L
= i (T ).
ki
v
(F33)
ki
(F33)-ba behelyettesítve (F32)-t és (F30)-at, va lamint kifejezve |<7 |-et, a k ö v e t k e z ő kifejezést kapjuk: m
A tényleges áramérzékelési szint: i (t) = I
Az alharmonikus gerjedés határhelyzete t e h á t :
+ Ai (t).
(F30)
v
A működési frekvencia a stabil működéshez tar tozónak a fele, így I kifejezése a következőképpen módosul: (F31)
\9 \= m
T
I e
+
R
M
" f " ~
M
h
Az alharmonikus gerjedési állapot akkor marad fenn, ha az első kikapcsolási idő végén az i n d u k t i v i t á s á r a m a nem csökkent az (F30) által m e g h a t á r o z o t t érték alá. Ilyenkor ugyanis az áramérzékelő újból kikapcsolja a végtranzisztort. Az i n d u k t i v i t á s á r a m á n a k kifejezése: i (t) = I -mt, L
M
OsísT . k i
(F32)
•
m
k i
1
-
i
(F34)
V.
2C
(F31)-et és (F17)-et behelyettesítve: \9m\ = -
n (u +u -u ) T (u +u -u yc 1
T
2C^(U -U ) tK
s
c
ki
D
s
ki
ki
D
b
+
r
(F35). Hasonló m ó d o n számolható a m á s alharmonikus frekvenciához t a r t o z ó maximális m e r e d e k s é g , illetve a másik k é t alapkapcsolásra v o n a t k o z ó kifejezés is.